uso de filtros ceramicos en tratamiento de agua del rio tumbes

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLOESCUELA DE POST GRADO

ADSORCION DE METALES PESADOS (PLOMO CADMIO Y MERCURIO)

PRESENTES EN AGUAS DEL RIO TUMBES, UTILIZANDO FILTROS CERÀMICOS

TESIS PARA OPTAR EL GRADO DE MAESTRA EN CIENCIAS

MENCIÓN INGENIERÍA AMBIENTAL

AUTOR: ING. MARÍA ISABEL NIQUEN INGA

ASESOR: Dr. ÁNTERO CELSO VÁSQUEZ GARCÍA

LAMBAYEQUE, 06 DE DIECIEMBRE DEL 2010

INTRODUCCION

El agua es fundamental para la vida tal como la conocemos

La tierra tiene un volumen de 140 millones de Km3

Agualimpia ONG (2009) de los 1833 distritos del Perú, 312 se

encuentran bajo el ámbito de empresas prestadoras de servicio (EPS), supervisadas (SUNASS), que brindan servicios de agua potable y alcantarillado a 17,1 millones de habitantes(62 % de la población).

2,5 millones (9 %) son atendidos por municipalidades

7,9 millones (29 %) por juntas

administradoras de servicios de saneamiento (JASS).

Agualimpia ONG (2009) menciona que en el Perú la falta de agua potable y saneamiento origina que:

1.La mortalidad infantil sea de 21/1000 (UNICEF 2008)2. Presencia de enfermedades como diarrea, cólera,

dengue, tifoidea, hepatitis3.El consumo reducido de alimentos lavados o cocidos4.El aseo personal limitado

5. La capacidad limitada para el desarrollo de nuevas actividades productivas, personas pierden tiempo productivo en acarrear agua

6. Que en las zonas peri urbanas de las ciudades, las familias que no tienen agua potable en sus viviendas pagan 8 o más veces por m3 a los camiones cisterna que lo que paga las familias que accesan a agua potable y saneamiento directamente en su vivienda.

• Contaminantes que provienen de curtiembres (cromo, metales pesados)

• Descargas industriales, compuestos orgánicos tóxicos (fenoles,

compuestos fenólicos)

•Efluentes textiles

•Efluentes agrícolas (agroquímicos, metales pesados)

•Relaves mineros (metales pesados).

Contaminantes según regiones, parásitos y patógenos, en la sierra metales pesados y en la selva residuos de hidrocarburos

(Red de Nanotecnología del Perú, 2010)

Problemas más serios en relación con la contaminación del agua en el Perú

La cuenca del río Tumbes está formada, en su cabecera, por numerosas quebradas que discurren principalmente desde la cordillera de Chilla y Cerro Negro en el Ecuador (provincias de El Oro y Loja). En su parte alta el río es llamado a menudo Río Pindo o Río Grande. Toma el nombre de Puyango a partir de su confluencia con el Yaguachi cerca de Balsas. Siguiendo la dirección occidental por unos 100 Km, el río Puyango alcanza la quebrada Cazaderos para formar el río Tumbes; gira entonces hacia el Norte unos 80 Km hasta llegar al Océano Pacífico cerca de la ciudad de Tumbes (Wikipedia, 2007).

Fuente GOOGLE EARTH(2010) Rio tumbes Imagen satelital del rio

tumbes

Esquema de la cuenca del rio Tumbes

El D.S. 002-2008-MINAM, establece ESTANDARES DE CALIDAD DE AGUA (ECA), SEGÚN USO:

Categoría 1: Poblacional y recreacional Categoría 2 : Actividades marino costerasCategoría 3: Riego de vegetales y bebidas de animalesCategoría 4 :conservación del ambiente acuático

Objetivo General:Determinar la eficiencia de filtros cerámicos porosos en la retención de metales pesados (Plomo y Cadmio) en aguas del río Tumbes.

Objetivos Específicos:•Sintetizar filtros cerámicos porosos aplicando el método de colado en esponja polimérica para su producción.•Realizar la caracterización físico-química y mecánica de los filtros cerámicos sintetizados.•Determinar la eficiencia de los filtros cerámicos porosos en la adsorción de metales pesados (Plomo y Cadmio) en aguas de efluentes mineros mediante espectrofotometría de absorción atómica.

Es importante la ejecución del proyecto por que se considera que en la evaluación, se aplicarán los conocimientos adquiridos en la formación como Maestro en Ciencias, Mención Ingeniería Ambiental y técnicas de análisis de última generación que permitan obtener resultados mas confiables y con el criterio y la convicción que se debe orientar las acciones humanas a mejorar las condiciones de vida de los habitantes directa o indirectamente relacionados al consumo de las aguas del río Tumbes y relacionarlo con el cuidado del medio ambiente dentro del enfoque del Paradigma del Desarrollo Sostenible.

CAPITULO I. ANÁLISIS DEL OBJETO DE ESTUDIO

1.1 UBICACIÓN Descripción de la zona de estudio

coordenadas UTM 561097 E y 96057465

Fuente GOOGLE EARTH(2010)

Estaciones de muestreo del agua del rio tumbes

Fuente GOOGLE EARTH(2010)

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿EN QUÉ MEDIDA SE RETIENEN METALES PESADOS (PLOMO Y CADMIO) PRESENTES EN AGUAS DEL RIO TUMBES, UTILIZANDO FILTROS CERÁMICOS POROSOS?

1.4 METODOLOGÍA EMPLEADA 1.4.1 Para la obtención de los filtros cerámicos

Se utilizó la técnica de la esponja polimérica referida por Vásquez y Deza (2005) utilizando en el primer caso como materias primas, partículas de piedra caliza, residuos de lodos de diatomeas de la industria cervecera y huesos de equinos.

En el segundo caso se utilizó como materia prima arcilla y chamota en diferentes proporciones utilizando agua como sustancia para obtener la suspensión adecuada.

En ambos casos se utilizo un dispersante (SOKALAN 5S) y un coagulante (CMC para estabilizar la suspensión.

Posteriormente, se sumergió una esponja polimérica de la marca Zebra (de Productos PARAISO del Peru SAC) con dimensiones conocidas.

Luego se realizó un tratamiento térmico en dos etapas la primera hasta los 120°C durante 24 horas y posteriormente a 400 °C durante 3 horas para eliminar la espuma plástica.

Los filtros cerámicos fueron caracterizados según sus propiedades físicas y reológicas.

En la parte final de cada experimento se expusieron a soluciones de concentración conocidas y con reactivos de laboratorio y luego con muestras de agua procedentes del rio tumbes haciéndolos circular en un modulo de agua con motor de circulación

1.4.2 Para la medición de la capacidad de adsorción de metales pesados

Para medir la capacidad de retención de los filtros por adsorción de metales pesados, en este caso de Plomo y Mercurio, se tomaron alícuotas de 3 ml transcurridas 1, 5, 10 y 24 horas, en las que se midió la concentración de Plomo y Cadmio.

Instalación de los filtros para la retención d e metales pesados en aguas del rio tumbes

Espectrofotómetro de absorción atómica Perkin Elmer Aanalyst ( FIQ, UNT)

CAPÌTULO IIMARCO TEÓRICO2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

ANTECEDENTES

HUAMANI, 2006Febrero 2004

HUAMANI, 2006Agosto 2005

HUAMANI, 2006Diciembre 2005

HUAMANI, 2006Marzo 2006

ANTECEDENTES HUAMANI, 2006

Noviembre 2003

2.2 BASE TEÓRICATEORIA 1: METALES PESADOS Y TRATAMIENTO DE AGUASWikipedia (2007), menciona que los metales pesados constituyen un grupo de elementos químicos que presentan una densidad relativamente alta y cierta toxicidad para el ser humano.

TEORÍA 2: MATERIALES CERÁMICOSLos cerámicos son materiales inorgánicos que se

encuentran unidos por enlaces fuertes, iónicos y covalentes, que son más rígidos que los enlaces metálicos.

La fuerza de estos enlaces hace que los materiales cerámicos presenten una mayor resistencia al calor y a la química que los materiales orgánicos, por lo que son buenos aislantes térmicos y eléctricos.

A diferencia de los metales, poseen pocos planos de deslizamiento para absorber las concentraciones locales de esfuerzos, a esto se debe que los cerámicos sean materiales frágiles (Proyecto Piloto, 2004).

TEORÍA 3: MÉTODO DE PRODUCCIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS POROSOS

•Introducción en la suspensión cerámica de granos de relleno (fillers) naturales o sintéticos con porosidad;

•Introducción de aditivos produciendo poros dentro de una mezcla inicial y su subsiguiente remoción por evaporación, sublimación, disolución);

•Introducción de gas dentro de un fundido o formación y retención de burbujas gaseosas;

•Fijación de burbujas gaseosas originadas como una consecuencia de reacción química en la suspensión cerámica;

•Impregnación de una matriz polimérica celular con una suspensión cerámica y el subsiguiente secado y tratamiento térmico para remover los componentes orgánicos;

•Extrusión de mezclas cerámicas plastificadas usando equipos de moldeo, que asegura la inmediata formación de una estructura porosa.

DISEÑO DE CONTRASTACIÓN DE HIPÓTESIS

Diseño Experimental de Estímulo Creciente

Agua contaminada

P1

P2

P3

Relación arcilla/chamota

100/0

Filtros

90/10

80/20

Pb Cd

Metales Pesados

Agua tratada

GOODE Y HATT CITADOS POR VASQUEZ et al, 2008

P4 70/30

METODOS

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

PREPARACIÓN DE MATERIAS PRIMAS

MOLIENDA Y HOMOGENIZACIÓN

*

Arcilla, Chamota

CONFORMADO DE FILTROS CERÁMICOS

Inmersión de esponja de poliuretanoD

iagr

ama

de F

lujo

Aditivos Reológicos

TRATAMIENTOTÉRMICO

*Secado (Ambiente, 3 días) Eliminación de

Sustrato Polimérico(400°C, 3h)Sinterización (650ºC, 2h)

Caracterizacióndel filtro

ENSAYOS DE RETENCIÓN DE METALES PESADOS

(Pb, Cd)

OBTENCIÓN DEL FILTROCERÁMICO

Espectrofotometría de Absorción Atómica

Dia

gram

a de

Flu

jo

PRUEBAS PRE-EXPERIMENTALES

Eliminación de esponjas poliméricas y sinterización

Bomba peristáltica

Columna de 50cm3 donde se encuentran los

filtros cerámicos

Muestras de aguas con

metales pesados

Análisis de las muestras por

Absorción Atómica

Esquema de los ensayos de adsorción de metales pesados

500mL

CAPITULO IIIDE LOS RESULTADOS

3.1 Material de estudio: Para la fabricación de los filtros cerámicos se utilizó la técnica de esponja polimérica; basada en la inmersión de una esponja en una suspensión de arcilla y chamota en diferentes proporciones

Se utilizaron 3 muestras de agua expresamente tomados del rio tumbes 1) a 500m aguas arriba de la toma de ATUSA-Tumbes; 2) frente a la toma de ATUSA-Tumbes y 3) 500 m aguas debajo de la toma de ATUSA-Tumbes (Figura 1.1)

3.2 DISEÑO DE CONTRASTACIÓN DE HIPÓTESIS

El diseño de control de hipótesis fue de tipo descriptivo causal comparativo (Sánchez y Reyes, 2002) según el cual, las variables dependientes se medirán por separado en cada fase del sistema y se compararon tratando de explicarlas en función de las causas (factores causales)

1.27

3.50

FIGURA N° 3.1: Dimensiones de los filtros de arcilla. (Unidad de medida: cm)

FIGURA N° 3.2: Esquema que muestra el procedimiento de aplicación de filtros cerámicos porosos a través de los que fluirán los el agua del río Tumbes.

VARIABLES INDICADORES SUB INDICADORES INDICES TECNICAS

INDEPENDIENTESFiltros cerámicos porosos

Tipo de filtro cerámico

De arcillaDe residuos industriales

Diámetrogrosor

Caracterización Físico químicaForma circular y rectangular

DEPENDIENTESAdsorción de metales pesados (Plomo y, Cadmio) de las aguas del río Tumbes

Tipo de metal pesado

PlomoCadmio

Porcentaje de Adsorción del metal pesado (%)

Espectroscopia de Absorción Atómica Cálculo Matemático

TABLA N° 3.5: Retención de Plomo en disolución de laboratorio. Co: 10mg/L Pb, y 10 mg/L Cd. V.: 0.5L.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Tiempo (horas)

Porc

enta

je d

e R

eten

ción

(%)

Filtros Arcilla

Filtros RUI

TABLA N° 3.4: Retención de Plomo en función del tiempo de exposición en disolución de laboratorio. Co: 10 ppm Pb, y 10ppm Cd. V.: 0.5L.

TABLA N° 3.6: Retención de Cadmio en disolución de laboratorio. Co: 10mg/L Pb, y 10 mg/L Cd. V.: 0.5L.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Tiempo (horas)

Porc

enta

je d

e R

eten

ción

(%)

Filtros Arcilla

Filtros RUI

FIGURA N° 3.5: Retención de Cadmio en función del tiempo de exposición en disolución de laboratorio. Co: 10mg/L Pb, y 10 mg/L Cd. V.: 0.5L.

FIGURA N° 3.8: Retención de Plomo en aguas del Río Tumbes con respecto al tiempo de exposición de filtros de arcilla. Co M1: 0,331 mg/L Pb2+, Co M2: 0,186 mg/L Pb2+, Co M3: 0,046 mg/L Pb2+. V: 0.5L.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0 10 20 30

Tiempo (h)

Ret

enci

ón (%

)

M1

M2

M3

FIGURA N° 3.10: Retención de Cadmio en aguas del Río Tumbes con respecto al tiempo de exposición de filtros de arcilla. Co

M1: 0,082 mg/L Cd2+, Co M2: 0,035 mg/L Cd2+, Co M3: 0,009 mg/L Cd2+. V: 0.5L.

FIGURA N° 3.12: Concentración de plomo inicial y después de 24 horas de exposición de filtros cerámicos de arcilla en aguas del Río Tumbes.

0,032

0,082

0,010

0,005 0,004

0,035

0,015

0,0080,009

0,007

0,0010,0000,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0,045

0,050

0,055

0,060

0,065

0,070

0,075

0,080

0,085

0,090

0 1 10 24

Tiempo (h)

Con

cent

raci

ón

(mg/L

)

M1M2M3

ECA, Categ.: 1.A3 y 3 (anim.)

ECA, Categ: 3(veg) ECA, Categ.: 1.A1 y 1.A2

FIGURA N° 3.13: Concentración de cadmio inicial y después de 24 horas de exposición de filtros cerámicos de arcilla en aguas del Río Tumbes.

V. PROPUESTA DE UN MODELO TEORICO

5.3 PROPUESTA DE PRODUCCIÓN DE FILTROS CERAMICOS POROSOS PARA TRATAMIENTO DE AGUA

5.3.1 De los filtros:

Los filtros cerámicos porosos obtenidos en este experimento conllevan a determinar que el mejor considerando su eficiencia es el obtenido con arcilla como materia prima principal ya que por su tamaño de partícula permite una aglomeración mayor y mas fuerte, lo que le otorga la suficiente consistencia y resistencia a fracturas de tipo mecánico

5.3.2 De la TécnicaLas mejores experiencias se han obtenida con la esponja polimérica marca ZEBRA, la que luego de la inmersión en la suspensión en el tratamiento térmico se evapora totalmente; sin embargo el uso de material orgánico como ha sido sugerido en la introducción, permitirá obtener filtros cerámicos menos contaminantes, ya que lo que se evacua es el CO2 dejando filtros porosos capaces de adsorber virus y otros microorganismos pequeños

y sobretodo de las trazas de metales pesados que en esta zona son muy significativos en lo referente a su concentración en el agua .

5.3.3 Del proceso productivo a nivel industrial El procedimiento a nivel industrial es factible ya que existen ventajas tales como:

1.Abundancia de arcilla como materia prima

2.Sencillez en cuanto al proceso productivo

3.Maquinaria con costo bastante bajo e inclusive con posibilidad de desarrollarse a nivel artesanal.

4.Requerimiento de estos equipos por parte de personas de bajos recursos económicos

5. Poco uso del agua en el proceso de producción

6. Gran durabilidad con adecuado mantenimiento

7. Gran productividad

V. CONCLUSIONES

1.Se logró sintetizar filtros cerámicos porosos a partir de residuos urbanos e industriales y de arcilla aplicando el método de colado en esponja polimérica para su producción.

2. La caracterización de los filtros cerámicos porosos permitió determinar las principales propiedades físicas y clasificarlos en base a su nivel de porosidad como materiales cerámicos avanzados y por los niveles de contracción suponen factibilidad para su producción a escala industrial.

3. Se determinó la capacidad de retención de metales pesados (plomo, y cadmio) de filtros cerámicos porosos elaborados a base de residuos urbanos e industriales y de arcilla en disoluciones de laboratorio.

4. La capacidad de retención de metales pesados (plomo y cadmio) de filtros cerámicos porosos elaborados a base de arcilla en aguas del Río Tumbes, para el plomo fue del orden del 93,5% y del cadmio mayor al 88,6%.

2. Las concentraciones finales de plomo y cadmio en aguas del Río Tumbes alcanzaron niveles máximos permisibles luego de 24 horas de exposición a los filtros cerámicos porosos a base de arcilla.

MUCHAS GRACIAS