APROVECHAMIENTO ambiental de residuos

APROVECHAMIENTO ambiental
de residuos agroindustriales
Adriana María Quinchía Figueroa. Ingeniera Agrícola. Magíster en
Ingeniería Ambiental y Doctora en Ingeniería. Docente investigadora
Escuela de Ingeniería de Antioquia. Grupo de investigación IGEA –
Investigación en Gestión Ambiental.
[email protected]
Juliana Uribe Castrillón. Ingeniera Ambiental. Estudiante Maestría en
Medio Ambiente y Desarrollo. Auxiliar de Investigación Escuela de
Ingeniería de Antioquia, Grupo de investigación IGEA – Investigación
en Gestión Ambiental.
[email protected]
La generación de residuos es consecuencia directa de la presencia
misma del hombre en el planeta. Estos pueden ser emitidos en
forma de elementos sólidos, líquidos o gaseosos y aumentan
permanentemente en cantidad y complejidad conforme se
incrementa la población y el desarrollo tecnológico, lo que se
traduce en una mayor dificultad del medio natural para asimilar,
degradar y reutilizar las sustancias y materiales que los constituyen.
Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
Una de las actividades más antiguas del hombre es la agricultura;
esta, con el objeto de proveer alimentos para una población
cada vez más numerosa, incrementa año a año el consumo de
recursos abarcando grandes zonas y ecosistemas. Sumado a esto
en la búsqueda de la preservación de los cultivos y encaminadas
a obtener un alto rendimiento en la producción, se emplean
sustancias químicas como fertilizantes inorgánicos y plaguicidas,
que degradan los recursos naturales y ponen en peligro la base
de la producción agrícola futura. En este sentido la agricultura
se convierte entonces en una actividad exigente y degradante
del medio natural, capaz de agotar recursos como los suelos
fértiles, el agua dulce y la diversidad en el planeta. El gran reto
contemporáneo es garantizar una forma sostenible de producción
de alimentos para las futuras generaciones, sin perder de vista la
conservación ambiental y su derecho a contar con dichos recursos.
La mayor cantidad de residuos sólidos que genera la agricultura,
son de origen vegetal, provenientes de cosechas o fracciones de
cultivos que no son de interés o no cumplen con los requisitos
de calidad mínimos para ser comercializados. De otro lado,
esta misma actividad genera abundantes sustancias químicas
peligrosas, empleadas para el control de roedores, insectos,
ácaros, nemátodos, hongos, bacterias, virus, etc., que obligan a los
cultivadores a realizar un control cada vez más frecuente y con
mayores dosis; estas sustancias llegan directamente al medio y,
una vez allí, inician un proceso de deterioro del recurso en el cual
se encuentran (agua, suelo, aire o biota), que se agrava cuando
la aplicación de las sustancias es permanente y no se permite la
degradación natural de las mismas.
En Colombia, una de las actividades agroindustriales de mayor
importancia en la economía nacional es la producción y
exportación de banano —fruto que se debe diferenciar del plátano,
el guineo y otras especies parecidas—. A escala nacional, ocupa
uno de los primeros lugares al lado del café, la caña de azúcar,
las flores y la palma africana. Internacionalmente se cuenta con
producción importante de esta fruta en países latinoamericanos
como Ecuador y Costa Rica.
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Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
La agroindustria del banano incluye su siembra, cosecha,
empaque, transporte y comercialización, actividades que generan
un importante número de empleos y conducen al desarrollo
técnico y social en las zonas de siembra, embalaje y transporte. En
el país las regiones con mayor producción son el departamento
del Magdalena y la zona del Urabá Antioqueño donde se tienen
extensas plantaciones bananeras. Como consecuencia de las
exigencias de los mercados internacionales, y con el objetivo de
producir una fruta con óptimas calidades, su explotación implica
fertilizantes, fungicidas, herbicidas, insecticidas y materiales para
su empaque, como plásticos y estibas. La cantidad de sustancias
aplicadas así como los sobrantes del mismo, deterioran las
condiciones ambientales del suelo, el aire, el agua, la flora, la fauna
y el paisaje. Igualmente, y a causa del estricto control de calidad,
se generan más de 250 mil toneladas de fruta cada año, que no
cumplen con el estándar requerido y terminan siendo desechadas
en las mismas plantaciones (ver figura 1).
Sumado a lo anterior, en la producción de banano se generan en
el país cerca de 75 millones de vástagos al año, lo que equivale
aproximadamente a unas 200 toneladas que son apiladas y, en el
mejor de los casos, reintegradas a las plantaciones como materia
orgánica, sin que sean previamente tratadas. Los problemas que
originan los desechos vegetales no tratados se deben en su mayor
parte al volumen, el peso y las dificultades de manipulación, que
encarecen su eliminación y favorecen la producción de insectos,
hongos y olores, en especial cuando son almacenados de forma
incontrolada, como muestra la figura 2.
En los últimos quince años se han incrementado las investigaciones
enfocadas a encontrar aplicaciones para los desechos vegetales,
como alimento para animales, combustible, materia prima
en procesos de compostaje o reforzante de materiales para la
construcción. En este trabajo se estudió su potencial como materia
prima, con el fin de obtener sustancias de alto valor económico
y ambiental, en la elaboración de materiales adsorbentes de
contaminantes.
Un material adsorbente es aquel que tiene la capacidad de retener
moléculas de otra sustancia en las paredes de su superficie sólida;
por esto se pueden emplear en la separación de contaminantes
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Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
disueltos en una fase líquida, capturándolos en su superficie
hasta cuando esté prácticamente llena.
La sustancia que se concentra en la superficie o se retiene se llama
adsorbato y el material sobre el cual lo hace es el adsorbente. La
mayor parte de estos últimos es un material altamente poroso y
puede ser fabricado a partir de algunos residuos agroindustriales,
vegetales y animales.
La adsorción es comúnmente confundida con la absorción,
pero estos fenómenos son diferentes. La absorción es el proceso
por el cual una sustancia (molécula, átomos, iones o radiación)
es atraída y retenida en el interior de otra y queda incorporada
en la estructura del material absorbente, mientras que en la
adsorción solo queda retenida en su superficie por alguna fuerza
de atracción iónica, como si fuera un imán, según se muestra en
la figura 3.
DOS PROBLEMAS
En este proyecto se afrontaron dos problemas ambientales: de
un lado la alta generación de un residuo orgánico en el lugar
de cosecha y, de otro, la inmovilización de un plaguicida de alta
aplicación en las zonas bananeras para control de plagas; es así
como se estudió la reutilización del vástago, esa parte de la planta
donde crecen los racimos de la fruta que sobra en las cosechas,
como adsorbente para retener en su superficie el fungicida
clorotalonilo (2, 4, 5, 6 tetracloroisoftalonitrilo) (ver figuras 4a y 4b).
Uno de los aspectos fundamentales de la adsorción es que el
material adsorbente posea abundante cantidad de poros, bien
formados y estables, y una gran área de superficie que permita
hacer la captura de los contaminantes de forma rápida y fuerte.
Con este fin, se realizó un tratamiento térmico del vástago
mediante una combustión con controles de temperatura,
contenido de oxígeno y tiempo, lo que permitió obtener una
sustancia denominada carbón activado, con características más
apropiadas para la adsorción que el vástago crudo como se retira
de la planta.
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Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
Comercialmente, los carbones activados son fabricados a partir de
materiales orgánicos con alto contenido de carbono, denominados
precursores (los más comunes son carbón mineral, madera,
cortezas vegetales, conchas de animales, huesos y cáscaras de
fruta). La selección del precursor depende de su disponibilidad
y precio, y también se tiene en cuenta que se pueda obtener
sin mezclas con otros residuos. El carbón activado preparado
artificialmente cuenta con un elevado grado de porosidad, alta
superficie interna y una naturaleza química en su superficie, lo
que le da sus propiedades adsorbentes.
Para obtener el carbón activado del vástago de banano fue
necesario hacer un análisis físico y químico. Entre otros análisis, se
realizó el reconocimiento de la composición química, la presencia
de sustancias con alto contenido de carbono y la humedad inicial
del vástago. El residuo fue secado al aire y molido para obtener
partículas con un tamaño inferior a los 2 milímetros, lo cual arrojó
permitió obtener un material como el que se observa en la figuras
5a y 5b.
Una vez realizado el proceso físico de secado y molido, el
vástago de banano crudo se transformó en un precursor con
una forma más homogénea, se realizó el tratamiento térmico a
temperaturas de entre 700 y 800ºC, en un reactor controlado a
escala de laboratorio, en el cual se inyectó nitrógeno gaseoso
para controlar el contenido de oxígeno. Finalmente se obtuvo un
carbón activado con la apariencia que se observa en la figura 6,
con mayor porosidad que el material original, menor tamaño de
partícula y más área superficial para capturar las moléculas de un
contaminante o sustancia.
Una vez obtenido este material adsorbente, denominado carbón
activado de vástago de banano (CAVB), se realizó el análisis
de su eficiencia como adsorbente. Para ello se emplearon dos
contaminantes: un tinte denominado azul de metileno (en
diferentes concentraciones) y el fungicida clorotalonilo, más
conocido en el campo como Bravo o Daconil, uno de los más
aplicados en la zona de Urabá, de forma aérea, para el control de
la sigatoka negra, pues es un elemento tóxico y peligroso para
hongos y otros microorganismos.
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Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
El paso siguiente fue probar la retención de los contaminantes
(tinte y plaguicida) a escala de laboratorio para determinar el
tiempo mínimo que tarda el CAVB para retener a su máxima
capacidad ambas sustancias, que se encontraban disueltas en
agua. Se halló que, con un tiempo de contacto de 15 minutos,
el carbón activado elaborado a partir de vástago de banano
puede capturar hasta un 99% del tinte y un 98% del plaguicida,
logrando una retención del doble de lo que se logró capturar
con un carbón activado comercial en el mismo experimento.
Este resultado permite sugerir que es una buena opción para
múltiples tratamientos contra la contaminación en la misma zona
de producción del residuo. En las figuras 7a y 7b se observa parte
del ensayo de laboratorio.
La verificación de la eficiencia del CAVB permite establecer sus
aplicaciones, pues existen muchos filtros domésticos e industriales
cuyo principal componente es el carbón activado, debido a que es
un material estable, inerte y extremadamente poroso.
La filtración con materiales a base de carbono no es reciente. Se
sabe que en la Antigüedad el grafito se utilizaba para filtrar el
agua de bebida en la India, y que la madera carbonizada se usaba
como adsorbente médico en el antiguo Egipto; sin embargo, el
carbón activo producido de forma industrial como se conoce
y se comercializa actualmente fue desarrollado desde los años
treinta del siglo XX para eliminar el sabor y el olor del agua. Desde
entonces se utiliza en muchas industrias para eliminar o recuperar
de las aguas compuestos orgánicos como tintes o disolventes
o para purificar el aire, así como en las plantas potabilizadoras,
donde se usan para tratar el agua suministrable a la población.
Considerando lo anterior, el material elaborado y analizado en
este proyecto se convierte en una opción asequible en múltiples
actividades de filtración y retención de contaminantes de uso
doméstico o industrial; sin embargo, se debe tener presente que,
debido a que no elimina todas las sustancias disueltas, puede ser
que no retenga algunos elementos como el calcio y el magnesio,
que se disuelven de manera natural y proveen altos contenidos
de sales al agua. No obstante, filtrar el agua doméstica con carbón
activado permite eliminar problemas de sabor y olor debidos
al cloro y otras partículas en suspensión. Además, proporciona
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Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
mayor seguridad respecto a contaminantes no deseables, que
podrían estar presentes en muy bajas cantidades en el líquido.
RESULTADOS
El estudio experimental demostró que el vástago residual del
banano es apropiado para producir un carbón activado con
condiciones favorables para ser empleado en la captura y
retención de sustancias contaminantes como tintes y plaguicidas
que se aplique en emulsiones y soluciones a base de agua como
es el caso del clorotalonilo.
Igualmente se encontró que la eficiencia en captura del CAVB
puede superar en un 15.85% a un carbón activado comercial.
Este resultado es de gran importancia debido a que el precursor
o la materia prima de la cual se fabricó el carbón activado en
este estudio es un residuo de gran generación en una actividad
agroindustrial importante para el país, con lo cual se abre la
posibilidad de dar valor agregado a un material que no es
considerado valioso dentro de dicha producción.
Algunas de las aplicaciones que pueden tener el material obtenido
en este proyecto y que pueden ser exploradas en posteriores
trabajos son:
Remoción de impurezas de aguas potables que generan en
ella olor, sabor y color.
Tratamiento de agua en procesos industriales y residuales.
Purificación del aire y gases industriales.
Respiradores de cartucho para protecciones personales.
Eliminación de olores en lugares cerrados, como cocinas,
bodegas y refrigeradores.
Adsorbente de etileno para evitar la maduración prematura de
frutas y verduras.
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Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
Filtración de humo de chimeneas.
Retención de pesticidas con origen en actividades agrícolas o
domésticas.
Captura de elementos y metales pesados como el mercurio, el
cobre, el manganeso, el plomo o el selenio.
www.propiedadpublica.com.co
8
Galería de fotos
Adsorción
1
Cultivo de banano en la zona del Urabá
antioqueño.
Imagen del Investigador.
4a
Vástago de banano.
5b
Vástago de banano molido.
Imagen del Investigador.
Imagen del Investigador.
2
Producción de residuos del cultivo de
banano.
Imagen del Investigador.
4b
6
Clorotalonil en su forma comercial
como Daconil.
Imagen del Investigador.
Carbón activado generado a partir de
vástago de banano.
Imagen del Investigador.
3
Diferencias entre los procesos de
adsorción y absorción.
http://www.bloogie.es/educacion/quimica/321diferencia-entre-absorcion-y-adsorcion
5a
7
Vástago de banano crudo y picado.
Imagen del Investigador.
Prueba de adsorción a escala
de laboratorio. Muestras de
azul de metileno en diferentes
concentraciones.
Imagen del Investigador.
9
Absorción
Galería de fotos
8
10
Muestras de carbón activado (CAVB) en
solución.
Imagen del Investigador.
Aprovechamiento ambiental de residuos agroindustriales
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