resumen

RESUMEN
En diversos lugares del mundo es frecuente caracterizar grande zonas territoriales en
que las aguas subterráneas pueden aparecer con cantidades relativamente elevadas
de arsénico. Estas que generalmente son explotadas para satisfacer las necesidades
de consumo humano, presentan el enorme riesgo que, al ser ingeridas en forma
continua y por largos periodos, resulte altamene tóxico para la salud. Según
investigaciones los estados con mayor afectación son Aguascalientes, Chihuahua,
Durango, Coahuila y San Luis Potosí.
El consumo de alimentos y agua es la principal fuente de exposición al arsénico,
elemento que causa efectos adversos a la salud, la Organización Mundial de Salud
(OMS, 1996) y la Agencia de Protección al Ambiente en Estados Unidos (EPA, 1998)
clasifican al As inorgánico como un agente carcinógeno al ser humano.
Por ello, el proyecto sobre el cual se basa este estudio tuvo como finalidad estudiar
un proceso de remoción, utilizando como adsorbente un recurso mineralógico natural
de la región (zeolita), en columna.
Se realizo un trabajo de experimentación en un rango de pH de entre 4 y 10,
manejando 9 lotes de pH/ prueba. Al analizar estos datos el % de adsorción tiende a
aumentar conforme baja el pH.
Los porcentajes de remoción obtenidos con los
materiales seleccionados, estuvieron por arriba del 80%.
1. INTRODUCCIÓN
El agua como fuente vital para todo ser vivo ha encontrado una problemática severa
en su calidad a causa de la sobreexplotación de los mantos acuíferos.
A causa de la alteración física y psicológica que provoca esta intoxicación, se han
realizados diversos estudios para determinar la presencia (cuantitativa) y disminución
del arsénico en el agua por medio de diversos procesos Fisicoquímicos.
1.1 Situación Actual.
En las zonas áridas y semiáridas de México, la principal fuente de agua para
diferentes usos, entre ellos el de consumo humáno, proviene de los mantos
acuíferos. La extracción inmoderada de este recurso origina que se encuentren
algunos metales, debido a la disolución de los minerales que están presentes en la
conformación geológica.
Algunos de ellos a las concentraciones presentes, llegan a ocasionar problemas de
toxicidad a los seres vivos, por lo que es de importancia su remoción a través de
procesos fisicoquímicos principalmente.
La alúmina activada y el hidróxido férrico granular son ejemplos de adsorbentes
comerciales utilizados ampliamente en los procesos de remoción. Su utilización en
países en desarrollo afecta a la economía regional, debido a los altos costos que
implica. Por ello se han estado desarrollando estudios de investigación para
encontrar materiales que puedan ofrecerse como sustitutos de estos y otros
productos comerciales.
Estudios geológicos y mineralógicos realizados en Durango han detectado la
presencia de minerales arcillosos con características adsorbentes, como es el caso
de las zeolitas. Las zeolitas son en la actualidad materiales de enorme interés
científico y tecnológico basados en aluminofosfatos y silicoaluminofosfatos que a
escala industrial se utilizan en multitud de procesos como catalizadores, adsorbentes
y agentes de intercambio iónico, presentando una alternativa viable a los procesos
que requieren de materiales de mesoporosidad uniforme, basados en yacimientos
regionales.
1.2 Arsénico
El arsénico es un metaloide tóxico, pertenece al grupo 5A y tiene estados de
oxidación –3, +3 y +5. El As se presenta en forma natural en rocas sedimentarias y
rocas volcánicas, y en aguas geotermales. El As se presenta en la naturaleza con
mayor frecuencia como sulfuro de arsénico y arsenopirita, que se encuentran como
impurezas en los depósitos mineros, o como arsenato y arsenito en las aguas
superficiales y subterráneas. Es usado comercialmente e industrialmente como un
agente en la manufactura de transistores, láser y semiconductores, como también en
la fabricación de vidrio, pigmentos, textiles, papeles, adhesivos de metal,
preservantes de alimentos y madera, municiones, procesos de bronceado,
plaguicidas y productos farmacéuticos.
La ingestión de agua con altas concentraciones de As incrementa el riesgo de cáncer
de piel y tumores en la vejiga, riñones y pulmones (Chiow y col., 1995), decoloración
de la piel (Mandal y col., 1996), nausea, diarrea, decremento en la producción de
células sanguíneas (Resuke y col., 1991), ritmo anormal del corazón, daño de venas
y adormecimiento de las palmas de las manos y plantas de los pies (Donofrio y col.,
1987). Investigaciones recientes han relacionado la exposición a As con el desarrollo
de diabetes mellitus (Rahman y col., 1995).
MATERIALES Y METODOS
Selección del material
Este punto consistió en realizar una prospección mineralógica en el Estado de
Durango, a través de información geográfica y trabajo de campo, misma que se
realizó por personal de investigación en el área de Geología del CIIDIR, previa a este
estudio.
El mineral con el cual se trabajo fue identificado previamente como zeolita el cual
extraído del yacimiento localizado entre el Km. 44 - 45 de la carretera DurangoTopia, proporcionado por investigadores del CIIDIR-IPN Durango, del área de
Materiales.
Caracterización del mineral
Para
poder
identificar
la
composición
del
mineral,
se
determinó
la
caracterización, misma que comprendió las siguientes actividades:
Pretratamiento
Consistió en el secado (a 25 ºC), una vez secado, el mineral es triturado y
molido hasta que pase la malla 100, para su posterior análisis. Se pesan con
precisión en la balanza analítica 20 g de cada zeolita tamizada, se guardan en bolsas
y se etiquetan para poder ser identificadas.
Tratamiento Químico
Se realizó por el método de digestión húmeda. Consistió de la digestión de
muestras con agua regia (HCl:HNO3), llevándose a digestión completa, en una
parrilla de calentamiento, a temperatura controlada para evitar proyecciones de
muestra.
El material de laboratorio utilizado durante los análisis fue: pipetas, picetas,
buretas, matraces, vasos, embudos y recipientes para guardar las muestras de agua,
entre otros. Antes de utilizar cualquier material de laboratorio se lavó perfectamente,
esto para poder eliminar todo residuo adherido a las paredes. Este material se lavó
con agua, jabón líquido, ácido clorhídrico al 5% y agua desionizada.
Digestión de muestras para la determinación de metales pesados
• Se pesaron con precisión 0.5 g de cada zeolita con tamaño de partícula de 40 +20 mallas (por duplicado), cada muestra se depositó en un vaso de
precipitados de 250 ml.
• Se agregaron 3 ml de ácido nítrico (HNO3) y 9 ml de ácido clorhídrico (HCL)
a cada vaso de precipitados, con pipetas serológicas de 5 y 10 ml.
• Los vasos se taparon con vidrios de reloj. Se calentaron casi a sequedad
aproximadamente a un volumen de 2 ml evitando que se proyectara la
muestra.
• Una vez que alcanzaron este volumen se volvió a agregar la misma cantidad
de HNO3 y HCL, prolongando la digestión, evaporando casi a sequedad
(aprox. 2 ml). Generalmente fue cuando adquirieron una apariencia
cristalina.
• Se agregaron 10 ml de HCL y 10 ml de agua desionizada. Se evaporaron
hasta un volumen de 10 ml para redisolver precipitados que se formaron.
• Una vez que se obtuvieron aproximadamente 10 ml de las muestras, se
retiraron de la parrilla y se dejaron enfriar un poco. Se filtraron a través de
papel filtro whatman No. 41 y se aforaron a 100 ml con agua desionizada.
Las muestras se vaciaron en frascos de polietileno (previamente
etiquetados) ambientados previamente con la misma muestra.
• Las muestras estaban listas para su análisis.
El contenido de metales se realizó por absorción atómica, por la técnica de flama
para: Fe, Mg y Mn (debido a las características mineralógicas de las muestras), con
la finalidad de conocer la presencia de estos elementos, que pueden aumentar las
características de adsorción al mineral. Se incluyeron también el análisis de los
elementos a remover, para observar si el material contenía de antemano presencia
de ellos.
El equipo utilizado para la medición de las concentraciones fue un
espectrofotómetro de absorción atómica (EAA), marca Perkin Elmer modelo 2280. En
la Tabla 1 se especifican las condiciones espectrales de cada elemento analizado.
Tabla 1. Condiciones de Calibración para el EAA.
Elemento
Flama
Longitud de
Apertura del
onda (nm)
monocromador
Mg
285.2
0.7
Aire-acetileno
Mn
279.5
0.2
Aire-acetileno
Fe
248.3
0.2
Aire-acetileno
Fuente
Lámpara de
cátodo hueco.
Lámpara de
cátodo hueco.
Lámpara de
cátodo hueco.
Determinación de Silice
El procedimiento que se llevo a cabo para determinar la cantidad de sílice por fusión
con hidróxido de sodio.
El contenido de Sílice se calcula por diferencia de peso de la muestra original y las
cenizas mediante la ecuación siguiente :
⎛ W − SiO 2 − mg ⎞
⎟⎟ * (100 )
%SiO 2 = ⎜⎜
W
muetra
mg
−
−
⎠
⎝
Donde el peso de la muestra se determino mediante la siguiente ecuación:
( 1)
W muestra = ( W del crisol de porcelana a WCTE con muestra) - W del crisol de
porcelana a WCTE
(2)
Determinación de Aluminio
El contenido de aluminio se determina por diferencia de los porcentajes de óxidos
calculados :
% Al 2 O 3 = 100 − (∑ de − los% − de − Si + Mg + Ca + Mn + K + Na + Fe )
(3)
PRUEBAS DE ADSORCIÒN
Las pruebas de adsorciòn consistieron en realizar pruebas Batch con de relación de
hidromódulo de las muestras de 1:25 (Adsorbente: Solución)
Estas pruebas consistieron en la determinación de:
a)
Efecto del pH
b)
Estudio de la Cinética de Remoción
c)
Isotermas de Adsorción
EFECTO DEL PH.
El termino de pH optimo se puede definir como el punto de la escala del pH donde se
realiza la mayor adsorción del material a remover sobre el adsorberte.
El experimento se realizó determinando los siguientes parámetros:
•
Variable experimental (independiente): Ph
•
Variable de respuesta: Concentración y % de remoción.
•
Número de repeticiones: 3
•
Número total de muestras: 27
•
Concentración inicial: 100 ppm.
•
Temperatura: Ambiente (21 - 25 °C).
CINÉTICA DE REMOCIÓN.
Parámetros experimentales:
•
Variable de de respuesta: Concentración y % de remoción.
•
Número de pruebas: 3
•
Número total de muestras: 30 y 1 para el control de pH
•
Concentración inicial: 100 ppm.
•
Temperatura: Ambiente (21 - 25 °C).
•
pH de remoción: 7 (±0.05).
ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
Parámetros Experimentales
•
Variable dependiente: % de remoción.
•
Número de lotes: 9
•
Número de pruebas: 3
•
Numero total de muestras:27
•
Concentraciones muestras iniciales: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 50,75 y 100 ppm.
•
Hidromódulo: 1:25 (2g : 50ml)
•
Temperatura: Ambiente (21 - 25 °C).
•
Tiempo de contacto total: 48 horas.
•
pH de remoción: el determinado por la prueba de pH (7.0).
Para obtener las concentraciónes problema de arsénico, se realizaron diluciones de
estándar primario (1000 ppm)
.
RESULTADOS
Caracterización de los materiales
De acuerdo a la Ley de Beer y Lambert, la relación entre la
absorbancia y la concentración se comporta de manera lineal, por lo que a
partir de las lecturas de absorbancia, se puede calcular la concentración
del elemento en la muestra, con la siguiente ecuación.
y = a + bx
Donde:
y = absorbancia
a = la ordenada al origen
b = la pendiente
x = la concentración
De donde:
x=
(y − a)
(Ec. 2)
b
Una vez calculada la ecuación de la línea recta, se procede a calcular
la concentración del elemento en la matriz en la que está comprendido,
mediante las Ecuaciones 3 y 4 (Perkin-Elmer):
Para muestras sólidas se emplea la Ec. 3:
μg
g
Donde:
=
(C )(V )( f .d .)
W
(Ec. 3)
C = concentración “x” calculada en la Ec. 2
V = Volumen de aforación
f.d = (Volumen de la muestra diluida en ml) / (Volumen de la
alícuota diluida en ml)
W = peso de la muestra
Para muestras líquidas se hace uso de la Ec. 4:
mg
L
= [C ∗ f .d ]
(Ec. 4)
Donde:
C = concentración “x” calculada en la Ec. 2
f.d = (Volumen de la muestra diluida en ml) / (Volumen de la
alícuota diluida en ml)
9.1.1 Fierro (Fe)
Se prepararon los estándares de Fe. Los valores obtenidos para la elaboración
de la curva de calibración, se enlistan en la Tabla 3.
Tabla 3. Datos para la curva de calibración de Fe.
Estándar de concentración
Absorbancia (nm)
(ppm)
1
0.01
2
0.02
3
0.03
4
0.036
5
0.045
6
0.053
La curva de calibración para Fe se muestra en la Figura 1.
Absorbancia (nm)
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
y = 0.0085x + 0.0027
R2 = 0.9955
0,01
0
0
1
2
3
4
5
6
Conce ntración de Fe (ppm)
Figura 1. Curva de calibración para Fe.
La Tabla 4 resume los resultados del análisis de las muestras de Fe.
7
Tabla 4. Resultados de análisis de Fe.
Zeolita
Absorbancia
(nm)
X (mg/L)
W (g)
µg/g
ZEO 1
0.09
10.2706
0.5025
2043.898
ZEO 2
0.056
6.2706
0.5023
1248.375
ZEO 3
0.042
4.6235
0.503
919.1907
ZEO 4
0.052
5.8
0.5003
1159.304
ZEO 5
0.04
4.3882
0.5036
871.3732
9.1.2 Magnesio (Mg)
Se prepararon los estándares de Mg. Los valores obtenidos para la elaboración de la
curva de calibración, se enlistan en la Tabla 5.
Tabla 5. Datos para la curva de calibración de Mg.
Estándar de concentración
(ppm)
Absorbancia (nm)
0.1
0.077
0.2
0.14
0.3
0.2
0.5
0.37
La curva de calibración para Mg se muestra en la Figura 2.
Absorbancia (nm)
0,4
0,3
0,2
y = 0.7346x - 0.0053
R2 = 0.9922
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Conce ntración de Mg (ppm)
Figura 2. Curva de calibración para Mg.
La Tabla 6 resume los resultados del análisis de las muestras de Mg.
Tabla 6. Resultados de análisis de Mg.
Zeolita
Absorbancia
(nm)
X (mg/L)
W (g)
µg/g
ZEO 1
0.088
0.1270
0.5025
25.2752
ZEO 2
0.126
0.1787
0.5023
35.5837
ZEO 3
0.113
0.1610
0.503
35.0159
ZEO 4
0.12
0.1706
0.5003
34.0933
ZEO 5
0.074
0.1079
0.5036
21.4356
9.1.3 Manganeso (Mn)
Se prepararon los estándares de Mn. Los valores obtenidos para la elaboración de la
curva de calibración, se enlistan en la Tabla 7.
Tabla 7. Datos para la curva de calibración de Mn.
Estándar de concentración
(ppm)
Absorbancia (nm)
0.5
0.034
1
0.063
2
0.138
3
0.188
4
0.258
La curva de calibración para Mn se muestra la Figura 3.
Absorbancia (nm)
0,3
0,2
0,1
y = 0.0636x + 0.0028
R2 = 0.9963
0
0
1
2
3
4
Conce ntración de Mn (ppm)
Fig. 3 Curva de calibración para Mn.
La tabla 8 muestra los resultados del análisis de las muestras de Mn.
5
Tabla 8. Resultados de análisis de Mn.
Absorbancia
Zeolita
(nm)
X (mg/L)
W (g)
µg/g
ZEO 1
0.221
3.4308
0.5025
682.7498
ZEO 2
0.123
1.8899
0.5023
376.2566
ZEO 3
0.078
1.1824
0.503
235.0676
ZEO 4
0.104
1.5912
0.5003
318.0482
ZEO 5
0.089
1.3553
0.5036
269.1314
9.2 Pruebas de Adsorción en columna
9.2.1Arsénico (As)
Se prepararon los estándares de As. Los valores obtenidos para la elaboración de la
curva de calibración, se enlistan en la Tabla 9.
Tabla 9. Datos para la curva de calibración de As.
Estándar de concentración
(ppb)
Absorbancia (nm)
20
0.014
40
0.017
60
0.028
80
0.034
100
0.039
La curva de calibración para As se muestra en la Figura 4.
Absorbancia (nm)
0,05
0,04
0,03
0,02
y = 0.0003x + 0.0082
R2 = 0.9946
0,01
0
0
20
40
60
80
100
120
Concentración de As (ppb)
Fig. 4 Curva de calibración para As.
Tabla 10. Resultados de remoción de As.
Zeolita
μg/L
% Remoción
MZ 1
19.23
80.77
MZ 2
14.57
85.43
Figura . Curva de Calibración
EFECTO DEL pH
Tabla 3. Datos de la grafica para el % de Adsorción en la prueba 1
pH
4.02
5.02
6.01
6.48
7.00
7.51
8.00
9.00
10.01
% Adsorción
86.964
83.107
82.294
81.685
81.888
78.437
79.452
80.264
79.452
Efecto del pH (Prueba 1)
82.5
%Adsorbancia
82.0
81.5
81.0
80.5
80.0
79.5
79.0
78.5
78.0
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
pH
Figura
.
Grafica Efecto del pH sobre el % de adsorbancia.
8.5
Prueba # 2
Tabla
. Datos de experimentación de la segunda prueba realizada para la obtención del
% de adsorción a pH diferidos.
pH
4.02
5.02
6.01
6.48
7.00
7.51
8.00
9.00
10.01
Abs
0.200
0.188
0.190
0.180
0.177
0.166
0.174
0.172
0.167
Conc. CC
0.336
0.397
0.387
0.438
0.453
0.509
0.468
0.478
0.504
mg/L F13.442
15.878
15.472
17.503
18.112
20.345
18.721
19.127
20.142
% Adsorción
86.558
84.122
84.528
82.497
81.888
79.655
81.279
80.873
79.858
Tabla. Datos de la grafica para el % de Adsorción en la prueba 2
pH
4.02
5.02
6.01
6.48
7.00
7.51
8.00
9.00
10.01
% Adsorción
86.558
84.122
84.528
82.497
81.888
79.655
81.279
80.873
79.858
Efecto del Ph (Prueba 2)
83.0
% Adsorbancia
82.5
82.0
81.5
81.0
80.5
80.0
79.5
79.0
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
pH
Figura
.
Grafica Efecto del pH sobre el % de adsorbancia
IMPACTO
Actualmente el problema de contaminación del agua por la presencia de metales
pesados y arsénico en países en vías de desarrollo no se ha solucionado, ya que los
procesos convencionales para la remoción de estos contaminantes involucran
tecnologías y materiales sumamente caros.
Este estudio presenta la alternativa de utilizar para la remoción de arsénico un
material regional que actualmente no se le ha encontrado un aprovechamiento
integral, como es el caso de las zeolitas.