INVESTIGACIÓN COMO PRINCIPIO DIDÁCTICO PARA UN CURSO …

Avances en Ciencias e Ingeniería - ISSN: 0718-8706 Av. cien. ing.: 9(4), 29-44 (Octubre/Diciembre, 2018) Vargas-Rodríguez et al.

http://www.exeedu.com/publishing.cl/av_cienc_ing/ 29

INVESTIGACIÓN COMO PRINCIPIO DIDÁCTICO PARA UN CURSO DE TRATAMIENTO DE AGUAS: REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES DE

AGUAS RESIDUALES DE LA NIXTAMALIZACIÓN DEL MAIZ (NEJAYOTE)

RESEARCH AS A DIDACTIC PRINCIPLE FOR A WATER TREATMENT COURSE:

REDUCTION OF WASTEWATER CONTAMINANTS OF THE NIXTAMALIZATION OF THE MAIZE (NEJAYOTE)

Yolanda M. Vargas-Rodríguez1, Adolfo E. Obaya1, Graciela R. Delgadillo1,

Guadalupe I. Vargas-Rodríguez1, Carlos Montaño1 (1) Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán, Departamento de Ciencias

Químicas. Av. Primero de mayo s/n, Cuautitlán Izcalli, Estado de México - México ([email protected]; [email protected])

Recibido: 27/07/2018 - Evaluado: 31/08/2018 - Aceptado: 28/09/2018

RESUMEN Se describe el tratamiento de aguas en el laboratorio de docencia, el cual utiliza la investigación como principio didáctico para la caracterización física y química de un efluente denominado nejayote, generado en el proceso de nixtamalización del maíz y que contiene materia orgánica. Los alumnos determinaron la cantidad de sólidos totales y la dureza debida a calcio y magnesio por espectrofotometría de absorción atómica. La degradación de contaminantes se realizó por electrocoagulación, con electrodos de aluminio, y por oxidación de Fenton utilizando peróxido de hidrógeno y luz UV. El parámetro evaluado, como indicador de eficiencia de la degradación de la

materia orgánica, fue la demanda química de oxígeno (DQO). Se concluye que con el análisis, caracterización y tratamiento del nejayote el alumno adquirió competencias y habilidades al utilizar la investigación como principio didáctico para la resolución de problemas de tratamiento de aguas del ámbito profesional.

ABSTRACT The treatment of water in the teaching laboratory is described, which uses research as a teaching principle for the

physical and chemical characterization of an effluent called nejayote, which is generated in the process of nixtamalization of corn and containing organic matter. The students determined the amount of total solids and the hardness due to calcium and magnesium by atomic absorption spectrophotometry. The degradation of contaminants was carried out by electrocoagulation with aluminum electrodes and by oxidation of Fenton using hydrogen peroxide and UV light. The parameter evaluated as an indicator of the efficiency of the degradation of organic matter was the chemical oxygen demand (COD). It is concluded that with analysis, characterization and treatment of nejayote the student will acquire the competence to use research as a didactic principle for the solving of water treatment problems in the professional field.

Palabras clave: investigación orientada, nixtamalización, Fenton Keywords: research teaching, nixtamalization, nejayote, Fenton



INTRODUCCIÓN La educación requiere una serie de transformaciones en el proceso de enseñanza aprendizaje, con técnicas didácticas que permitan a los estudiantes desarrollar competencias que les ayuden a tomar decisiones adecuadas sobre qué aprender y qué aplicar a lo largo de su vida personal y profesional (Olivares & Heredia, 2012). Dar prioridad al uso del conocimiento científico para sacar conclusiones de las observaciones para recoger evidencia por sí mismo. La habilidad para relacionar las observaciones con las afirmaciones y conclusiones es lo que los ciudadanos necesitan para hacer juicios sobre aspectos de su vida que son influidos por la ciencia. Lo más importante es que un individuo necesita relacionar la evidencia con las conclusiones basadas en ella y usar esta evidencia a favor o en contra de acciones que afecten positivamente o negativamente su vida personal, social y global (Hernández et al., 2016). La enseñanza y aprendizaje mediante actividades experimentales que promuevan un razonamiento lógico, con el fin de favorecer el desarrollo del pensamiento científico, además de fomentar la autonomía en los estudiantes. Las habilidades de pensamiento científico se vuelven fundamentales para el quehacer docente. Las dimensiones de la enseñanza del pensamiento científico son: 1) la naturaleza y 2) los procesos de la ciencia; refiriéndose la primera a las características del trabajo considerado científico y las condiciones que hacen de la ciencia confiable y útil; la segunda a los procesos para generar nuevos conocimientos (Olguín et al., 2016). Como pueden ser los procesos descriptivos y los explicativos.

El proceso de investigación es la estrategia más adecuada para la construcción de conceptos, procedimientos y actitudes. La investigación del alumno ha de enmarcarse en un modelo general de intervención en el aula e integrar, en forma de saber escolar, las aportaciones del saber cotidiano, del saber científico y del pensamiento científico, partiendo de la resolución de problemas prácticos (Obaya & Delgadillo, 2003). Propicia también que el alumno vaya aproximando sus concepciones al conocimiento científico. La investigación en el laboratorio define tanto una metodología de trabajo como un marco teórico que integra las aportaciones del constructivismo, trabajo en equipo y aprendizaje cooperativo

Es importante mencionar, que el modelo de investigación-orientada considera al proceso de enseñanza y aprendizaje como tratamiento de un problema, que los estudiantes pueden considerar de interés e incluye toda una serie de aspectos que, en forma de programa de actividades, orientan la solución del problema. En esta estrategia, cuando al alumno se le plantea un problema que le interesa, trata de resolverlo científicamente (emitir hipótesis, elaborar estrategias de resolución, analizar cuidadosamente los resultados y generar conclusiones). (Blessinger & Carfora, 2015). Este proceso, es impulsado y orientado por el profesor, entonces el núcleo básico del aprendizaje escolar, se sitúa en el intercambio de información y resolución de un problema entre individuos que conviven en el laboratorio y en la construcción colectiva de los significados de manera que en la relación del alumno con el profesor o con sus compañeros es donde se genera el aprendizaje. Resulta indispensable establecer una clara secuenciación de las actividades, necesidad avalada también por el hecho de que la mayoría de los problemas con los que se suele trabajar admiten diversas estrategias para su resolución, en función de su complejidad. Ello implicaría un inventario de los recursos a utilizar (materiales, equipo y reactivos) y el establecimiento de determinados criterios para la organización de las actividades previstas. Cabe hacer mención, que entre las actividades finales del proceso investigativo, resulta útil incluir algunas preguntas abiertas, como pueden ser las de evaluación, en las que participen los alumnos, que favorezcan la reflexión sobre lo aprendido, tomando conciencia del camino de aprendizaje recorrido y de cómo ha sido realizado, desde la perspectiva de la funcionalidad de los nuevos aprendizajes para resolver situaciones que al principio del proceso hubieran resultado prácticamente irresolubles a dichos estudiantes (Bennet & Kennedy, 2001). Por otro lado, cuando se plantea una situación problema y su construcción, análisis y/o solución constituyen el foco central de la experiencia, y en donde se promueve deliberadamente el desarrollo de indagación y resolución



del problema en cuestión, se conoce como Aprendizaje Basado en Problemas (ABP). El ABP, es un estilo de aprendizaje centrado en el estudiante que facilita la integración de múltiples temas (Woods, 2014). El ABP ha sido aplicado con buenos resultados, en la enseñanza de las ciencias químicas y de las ingenierías (Blessinger & Carfora, 2015; Gurses et al., 2015; Moutino, 2015; Obaya et al., 2018) y también se ha aplicado en la enseñanza de la química ambiental, aunque únicamente para el aprendizaje de temas específicos relacionados con el área, por ejemplo: monitoreo de la calidad del agua de una cuenca (Ram, 1999), separación de cationes (Hicks & Bevsek, 2012) y para la evaluación de fuentes de emisión y toxicidad (Jansson et al., 2015). Con el objetivo de mejorar la enseñanza y aprendizaje de la asignatura de tratamiento de aguas, es este trabajo se presenta los resultados de un problema real: Reducción de contaminantes de aguas residuales obtenidas del proceso de la nixtamalización del maíz (nejayote) para su descarga, y la forma en que los estudiantes resolvieron de forma práctica a través de la investigación-orientada. METODOLOGÍA

Población

La estrategia se aplicó en un grupo de Tratamiento de aguas, con 12 alumnos, con edad promedio de 21 años (62 % hombres y 38% mujeres), conformándose 4 equipos con tres integrantes cada uno. La asignatura de Tratamiento de Aguas es una asignatura de carácter teórico experimental, con valor de 8 créditos. Se imparte a

partir del 7 semestre en la carrera de Ingeniería Química, de la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán de la Universidad Nacional Autónoma de México, como asignatura, con 4 horas de laboratorio y 2 horas de teoría. La actividad se realizó en 5 semanas. A cada equipo se le dio una muestra de aguas residuales obtenidas de la nixtamalización de maíz y considerando que antes de aplicar la investigación como principio didáctico, los alumnos ya habían realizado el análisis

fisicoquímico de diversas muestras de agua para determinar pH, alcalinidad, ácido carbónico, oxígeno disuelto, oxígeno consumido, cloruros, sulfuros, sólidos disueltos, dureza, sulfuros y sílice. El profesor revisó y retroalimentó a los alumnos de forma escalonada, con base en el avance particular de cada equipo de trabajo, la realización de las actividades siguientes:

1) Consultar la bibliografía actualizada del tema de nixtamalización 2) Investigar qué tipo de contaminantes presentan las aguas residuales del proceso de nixtamalización 3) Investigar las técnicas que se han utilizado para reducir los contaminantes orgánicos del nejayote 4) Investigar otras técnicas para reducir contaminantes orgánicos 5) Investigar las técnicas y métodos de análisis de aguas residuales 6) Establecer los objetivos del trabajo 7) Plantear una o varias hipótesis y resultados posibles 8) Proponer las técnicas y métodos para el tratamiento del efluente y su caracterización fisicoquímica. 9) Proponer el diseño experimental adecuado al equipo y material con que cuenta el laboratorio de tratamiento

de aguas de la Facultad de Estudios Superiores-Cuautitlán 10) Realizar el trabajo experimental planteado 11) Analizar los resultados obtenidos 12) Concluir, hacer observaciones y recomendaciones integrando en su totalidad el experimento investigado. 13) Redactar un informe de investigación

Evaluación

Se evaluó con base en la investigación que los alumnos realizaron acerca del nejayote, los compuestos que contiene y la metodología que propusieron en cada sesión para caracterizar la muestra cruda, así como el



fundamento de los métodos de electrocoagulación y la oxidación Fenton. Poniendo énfasis en los diagramas de flujo propuestos por los alumnos. Finalmente, al término de las sesiones experimentales se aplicó una evaluación escrita para conocer el nivel de aprendizaje de los fundamentos teóricos. La prueba consistió en las siguientes preguntas:

1. Defina que es el nejayote ¿en qué proceso se genera y cuáles son los principales componentes contiene para que sea considerado para un tratamiento?

2. ¿A qué se debe el término “dureza del agua” y cómo de determina su grado? 3. ¿Qué compuestos son adicionados al nejayote que le confieren su carácter básico? ¿Por qué son añadidos? 4. ¿Por qué el nejayote presenta una alta carga de materia orgánica variable? 5. ¿En qué parámetro de la calidad del agua residual determinado experimentalmente se ve reflejado el alto

contenido de materia orgánica? 6. Conociendo el proceso de nixtamalización ¿a qué de sebe el alto valor de sólidos totales? 7. ¿En qué consiste el proceso de electrocoagulación? 8. ¿De qué variables depende la eficiencia del proceso de electrocoagulación? 9. ¿Describa el método de oxidación Fenton? 10. ¿Cuáles son las variables del proceso de oxidación Fenton? 11. Con base en los resultados del tratamiento aplicado al efluente discuta qué método fue el más eficiente

para el agua residual. 12. ¿Qué aprendiste de esta experiencia de tratamiento de aguas residuales?

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados de la estrategia didáctica

Una vez que se les dio a los alumnos la muestra cruda del efluente generando de la nixtamalización del maíz, la primera reacción de los estudiantes al ver la muestra, fue decir que estaba muy contaminada, que tenía muchos

sólidos, que era turbia, con color, etcétera y que no se parecía a las muestras con las que previamente habían utilizado en el laboratorio de tratamiento de aguas y propusieron las propiedades fisicoquímicas para caracterizar el efluente (Figura1) Posteriormente, los alumnos caracterizaron el efluente crudo por potenciometría (pH), nefelometría (turbidez), colorimetría (color), espectrofotometría VIS (color verdadero), espectrofotometría (Demanda química de oxígeno-DQO) y por espectrofotometría de absorción atómica determinaron calcio y magnesio para el aseguramiento de la dureza del agua y su calidad como efluente, de una manera adecuada. La revisión bibliográfica de los alumnos fue integral, ya que investigaron la etimología de nixtamalización, la descripción del proceso de nixtamalización, lo referente al producto final (tortilla), así como la composición del efluente generado. Después de la investigación bibliográfica, los alumnos propusieron dos métodos para eliminar la carga orgánica y los sólidos en suspensión (Fenton y electrocoagulación), a través de un diagrama de flujo (Figura 2). Los alumnos trabajaron de acuerdo con la metodología propuesta por ellos mismos y avalada por el profesor. A lo largo de las sesiones experimentales fueron entregando resultados en forma de datos, gráficos, tablas, fotografías, etcétera. Después de realizar la degradación por proceso Fenton y por Electrocoagulación respectivamente, compararon de forma visual las muestras obtenida con la muestra original (Figuras 3a-3c). En las pruebas de electrocoagulación el alumno discriminó la validez del método elegido para la remoción de contaminantes, siendo la prueba de DQO la referencia de la calidad resultante del efluente. Así mismo el estudiante llevó a cabo un proceso de oxidación avanzada (Fenton) para adquirir la competencia de realizar el proceso optimizando las variables influyentes en el proceso.



Fig. 1: Técnicas utilizadas para la caracterización del efluente crudo

Fig. 2: Diagrama de flujo para el tratamiento y caracterización del efluente después del tratamiento

El efluente nejayote, en México es de gran abundancia y como se menciona más adelante, este es tratado tradicionalmente por filtración, degradación enzimática y coagulación-flotación, el hecho de que los alumnos hayan propuesto otras alternativas como oxidación Fenton o Electrocoagulación, los hace resolver el problema claramente como una investigación y no como una práctica tradicional de laboratorio, ya que el laboratorio no contaba con una técnica para estos procesos y los alumnos buscaron en la bibliografía como realizar el proceso Fenton y Electrocoagulación. Al mismo tiempo, experimentaron con algunas variables, para encontrar las condiciones óptimas de reacción.

Caracterización del efluente crudo

pH

Turbidez

Sólidos totales

Color verdadero

Pureza de color

Demanda química de

oxigeno

Magnesio y calcio

Potenciometría

Nefelometría

Gravimetría

Espectrofotometría VIS

Colorimetría

Espectrofotometría

Espectrofotometría de absorción atómica

Efluente crudo

Fenton Electrocoagulación

oxidante: catalizador tiempo de residencia

pHtiempo de residencia

Turbidez

Sólidos totales

Demanda química de

oxigeno

Turbidez

Sólidos totales

Demanda química de

oxigeno



Fig. 3a: Nejayote crudo Fig. 3b: Proceso de electrocoagulación Fig. 3c: Proceso de Fenton

Por otro lado, la presentación de diagramas de flujo sencillos, que contiene los pasos clave de sus procesos, sugiere que los alumnos conocen, comprenden y aplican las técnicas y métodos que permiten un tratamiento de efluentes (Hicks & Bevsek, 2012; Vargas-Rodríguez et al., 2016). Además, de que esperan un resultado comparativo de propiedades fisicoquímicas y no únicamente visuales, entre el efluente crudo y los tratados por Electrocoagulación y Fenton respectivamente. Durante el proceso de enseñanza y aprendizaje, los alumnos aplicaron el método científico en la investigación orientada ya que lograron:

• La revisión bibliográfica adecuada, les generó un punto de partida para realizar una propuesta de caracterización fisicoquímica del efluente crudo.

• La caracterización fisicoquímica, contribuyó a la utilización de técnicas ya estudiadas tanto en la asignatura de tratamiento de aguas, como en otras asignaturas del plan de estudios.

• Esta misma revisión les permitió generar objetivos y en consecuencia una propuesta para eliminar la materia orgánica suspendida, disuelta, así como los sólidos totales del efluente.

• En la experimentación, los estudiantes, manejaron variables de reacción, pH, tiempos de residencia, etcétera, implicando que realizaron una investigación experimental

• Los resultados obtenidos, les permitieron realizar una discusión • Es importante notar, que el momento de obtención de conclusiones llega como resultado o culminación del

proceso investigativo seguido por el estudiante, las cuales realizaron a partir de sus resultados de DQO. En cuanto a los resultados de la evaluación, los estudiantes, contestaron en general de forma adecuada las respuestas de conocimientos de los contenidos de la asignatura de tratamiento de aguas. Es importante mencionar que en la respuesta a la pregunta ¿Qué aprendiste de esta experiencia de tratamiento de aguas residuales?, enfocada a la autoevaluación de las competencias y habilidades adquiridas por los estudiantes, después de participar en este proceso de enseñanza y aprendizaje fueron positivas, por ejemplo:

• Aprendimos a resolver problemas de tratamiento de aguas como un problema real de una manera independiente y no como una práctica.

• Con el propósito de resolver un problema real, integramos conocimientos de diferentes asignaturas de la carrera de Ingeniería Química

• Se nos estimuló a trabajar en el laboratorio con base a nuestra propia iniciativa y capacidad de reflexión • Planteamos nuestros propios objetivos y la manera de cómo alcanzarlos.



Las respuestas indican que los alumnos consideran que han adquirido competencias y habilidades que les serán útiles en su desarrollo profesional, que es uno de los objetivos de la carrera de ingeniería química (Anaya & Landgrave, 1998). Finalmente, Se presenta como ejemplo, la forma de como uno de los equipos generó su reporte de investigación del problema planteado, que puede servir como base y posible orientación a quienes en el futuro deseen emplear esta propuesta (anexo).

REPORTE DE INVESTIGACIÓN (DE LOS ESTUDIANTES) Introducción La palabra nixtamalización de deriva del náhuatl nixtli que significa “cenizas” o “cal”y tamalli que quiere decir “masa de maíz”. EL maíz era calentado con agua y cenizas volcánicas y después era molido en un metate de piedra para producir la masa que se utilizaba para formar discos llamados tlaxcalli por los aztecas, que posteriormente fueron bautizados como tortillas por los españoles (Paredes, 2006). El maíz nixtamalizado en México ha sido consumido en la dieta mexicana como ingesta de tortillas per cápita de 234 g/día. La industria de la tortilla presentó una producción de 6.9 millones de toneladas equivalentes a 72.48 millones de pesos (Salinas, 2011). Las aguas residuales de la industria de la nixtamalización en México se caracterizan por la presencia de una alta carga orgánica presentando una elevada demanda química de oxígeno, así como por altos niveles de sólidos en suspensión, grasas, celulosa, hemicelulosa, carbohidratos y un bajo contenido de proteína (Salinas, 2011). El tratamiento de este tipo de efluentes tradicionalmente se ha llevado a cabo mediante proceso de filtración, degradación enzimática, flotación y coagulación floculación (Pruebas de Jarras) con diversos agentes como el FeCl3, Al2(SO4)3 y CuSO4 alcanzándose reducciones de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) poco significativas, en relación con los límites de vertido. Se envió de la introducción del artículo a la introducción de los alumnos. De acuerdo con la complejidad de efluente nejayote, los coagulantes inorgánicos mencionados anteriormente no desestabilizan la capa eléctrica del sistema coloidal, por lo que no se logra una coagulación satisfactoria. Otra propuesta de coagulantes son los orgánicos por ejemplo el nopal viejo deshidratado y xiloglicano podrían ser utilizados; pero una mejor propuesta alternativa para el proceso de formación flóculo-coagulación es la electrocoagulación, en donde se genera un flujo de corriente eléctrica a través de dos electrodos metálicos (de muy bajo costo), en donde el ánodo (electrodo de interés) se oxida formando iones en solución, los cuales comprimen la capa eléctrica de los sólidos en suspensión, precipitándolos junto con el correspondiente hidróxido del metal (Rigola Lapeño, 1990). Debido a que el proceso de nixtamalización exige un tratamiento fuertemente alcalino con hidróxidos tanto de calcio como magnesio, estos deben ser cuantificados por diversos métodos, siendo el más sensible y preciso la espectrofotometría de absorción atómica. Una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica presente en el efluente es el valor de los sólidos totales. Los procesos de oxidación avanzada (POA’s) surgen como una alternativa para el tratamiento de este tipo de efluentes debido a su potencial para degradar parcial o totalmente compuestos orgánicos refractarios. Muchos POA’s se basan en la combinación de un oxidante fuerte (ozono o peróxido de hidrógeno), un catalizador (iones de metales de transición o fotocatalizadores) y/o radiación electromagnética( UV o ultrasonido) (Parsons, 2004), por el hecho del que el H2O2 absorbe muy poca radiación por encima de 254 nm, la aplicación de luz solar es prácticamente inviable recurriéndose siempre a luz de fuentes artificiales, otra desventaja, es que los radicales OH* son fácilmente atrapados por los iones CO3

2- y HCO3- abundantes en el efluente.

El proceso de oxidación de Fenton se basa en la generación de radicales OH a partir de luz UV catalizada por iones Fe (ll) en solución, los radicales OH generados presentan una alta reactividad debido a su inestabilidad química,



por ello son capaces de oxidar la materia orgánica, desde moléculas sencillas hasta las más complejas, como las que están presentes en efluentes de industrias cosméticas (Ebrahiem & Mohammednoor, 2013). Este método de oxidación se puede combinar con catalizadores heterogéneos para oxidar materia orgánica tan contaminante como lo son los colorantes azoicos que se generan en diversas industrias, logrando las condiciones apropiadas de pH y relación de catalizador de Fe(ll) se pueden reducir los tiempos de reacción para la total remoción de contaminantes como lo son los colorantes azoicos (Xiaogou & Ang, 2018). Por ello el proceso de oxidación de Fenton se considera como un tipo de oxidación avanzada. La electrocoagulación es un proceso fisicoquímico en el cual la generación in situ de un catión metálico desestabiliza la doble capa eléctrica de la materia coloidal que se encuentre en el sistema, logrando precipitar la materia orgánica con el respectivo hidróxido del catión metálico. El catión metálico es generado haciendo pasar corriente a través de placas del elemento sumergidas en el sistema. La electrocoagulación usualmente utiliza electrodos de sacrificio de hierro o aluminio en una celda de corriente directa, en donde el ánodo se oxida generando así cationes (Al o Fe) y produciendo el hidróxido del metal el cual flocula a la materia orgánica (Barrera-Díaz & Balderas-Hernández, 2018). El proceso de electrocoagulación además de remover materia orgánica también es capaz de eliminar cationes de metales como Fe (ll) usando electrodos de aluminio, ya que el hidróxido de aluminio formado por la oxidación del electrodo es capaz de adsorber los iones Fe (ll) (Daggaz & Attour, 2018). El uso de la electrocoagulación en el tratamiento de efluentes es muy utilizado ya que es capaz de remover materia orgánica resistente y tan contaminante como lo son antibióticos de uso humano e incluso de recurrencia veterinaria que están presentes en efluentes de aguas residuales (Wojciech & Ewa, 2018). Objetivos 1. Caracterizar el efluente nejayote mediante parámetros químicos e instrumentales. 2. Reducir la cantidad de contaminantes de las aguas residuales de la nixtamalización del maíz, a través de los

métodos de electrocoagulación y del proceso de oxidación avanzada Fenton 3. Evaluar electrodos de aluminio en el método de electrocoagulación con 4. Optimizar el POA’s de Fenton para la degradación de materia orgánica.

Hipótesis Al tratar el efluente del proceso de nixtamalización, por medio de oxidación Fenton y Electrocoagulación, se obtendrá un efluente con DQO bajo, que permitirá la descarga del mismo. Experimental

En la Tabla 1, se muestran los materiales, reactivos y equipo utilizado con base a la infraestructura con la que se cuenta, en los laboratorios de la Facultad de Estudios Cuautitlán-UNAM. Métodos

Cuantificación de Magnesio y calcio El magnesio y el calcio fueron cuantificados cada uno por una curva de calibración de 0.29 a 2.79 mg/L en el espectrofotómetro de absorción atómica Varian (Figuras 4 y 5) utilizando para cada elemento la lámpara de cátodo hueco. Se atomizaron las soluciones mediante una flama de aire – acetileno. Demanda química de oxígeno En la determinación de la DQO para el nejayote curdo se tomó 100 μL de muestra y se realizó el método de reflujo cerrado de acuerdo a la metodología del ASTM (2004), de la misma manera se tomaron alícuotas para el proceso de electrocoagulación y oxidación de Fenton. Colocándolos en los tubos Hach 0.1 mL de muestra 2 mL de solución de digestión (K2Cr2O7) y 0.5 mL AgNO3 (Greenberg, 1996) y 3 mL de agua destilada. Se llevaron a un termo reactor en donde se realizó la digestión a 150°C por 90 min. Posterior se enfriaron a temperatura ambiente (30 min). Se leyó la absorbancia en el espectrofotómetro a 604 nm e interpoló la absorbancia en la curva de DQO (Figura 6).



Análisis gravimétrico Para el análisis gravimétrico de determinación sólidos totales (Greenberg, 1996) se colocaron en cápsulas de porcelana a peso constante 25 mL de muestra los cuales se evaporaron a sequedad en parilla evitando proyecciones y brusca ebullición, se lleva a la estufa por 30 min a temperatura de 105°C, pasar al desecador y pesar a temperatura ambiente para registrar este peso, una vez más la cápsula de porcelana se lleva a la mufla a 600 °C por 20 min, se baja la temperatura y se registra el peso a temperatura ambiente.

Tabla 1: Material, Equipo y Reactivos empleados en el análisis del nejayote

Materiales Equipo Reactivos

Vaso de precipitados vidrio 1L, 600 mL Cronómetro Matraz aforado 1L, 500 mL, 100 mL, 250 mL Electrodos de aluminio 20cmx5cm Tubos Hach 10 mL Pipetas volumétricas 1, 2, 3 4, 5 y 10 mL Micropipeta 100- 1000 μL tranferpette Brand

Potenciómetro conductronic con electrodo de vidrio combinado Turbidímetro Hanna instruments Balanza analítica Equipo de absorción atómica Spectra 2000 VARIAN Fuente de poder 0 a 38 Volts Digital DRP – 303 – D Lámpara UV 254nm Blak – RAY UVL 56 Termo reactor Hach cod reactor Centrífuga Dynac Espectrofotómetro UV – VIS Lambda 18 de doble haz Perkin Elmer

Fe (NH4)2(SO4)2 6H2O Monterrey H2O2 30% J. T. Baker K2Cr2O7 Baker H2SO4 J.T. Baker 98% AgNO3 Monterrey Soln. Buffer referencia pH 4 y 10 Merck Agua destilada Agua desionizada 18 mΩ Formacina 400 NTU Carbón activado modificado con extracto de nopal Coagulante Xyloglicano de extracto de nopal

pH, turbidez y color Al realizar la caracterización del efluente se midió pH, utilizando el potenciómetro calibrado y leyendo con el electrodo combinado de vidrio. En la determinación de turbidez se colocaron las muestras en las celdas de cuarzo del turbidímetro previamente calibrado con la formacina (Figura 7). Al determinar color verdadero se realizó sobre unas placas de carbón activado modificado con nopal deshidratado realizando una filtración midiendo turbidez final. Electrocoagulación Para las pruebas por electrocoagulación, se midieron por triplicado, 500 mL de nejayote crudo, y se colocaron en vasos de precipitados a los cuales se les ajusto el pH a 3, 4, 5, 6, 8, 9 y 10 con ácido sulfúrico R.A. Se introdujo un par de electrodos de aluminio detenidos con caimanes y conectados a una fuente de poder a 3 volts y 0.018 A, por simple inspección se seleccionó el sistema a pH 10 (nejayote crudo). Posteriormente se variaron los tiempos de residencia aumentándolos cada 10 min para determinar el tiempo de máxima electrocoagulación, posteriormente se analizó la DQO por el método espectrofotométrico reflujo en sistema cerrado. Proceso Fenton En el tratamiento de oxidación avanzada se utilizó como oxidante al peróxido de hidrógeno y como catalizador el Fe2+(5 mg/L) aportado de la sal Fe(NH4)2(SO4)2. La relación de oxidante y catalizador utilizada fue variable, para este sistema. En un vaso de precipitados se agregó una parte de muestra (100 mL), se ajustó el pH a 2.8 y se le adicionó una parte de Fenton (100mL) mezclando, posteriormente se colocó el sistema bajo radiación UV a 254 nm variando los tiempos de residencia aumentándolos en intervalos de 10 min hasta un tiempo de 50 minutos y comparándolos con un testigo (nejayote crudo).



Fig. 4: Curva de calibración para la determinación de magnesio

Fig. 5: Curva de calibración para la determinación de calcio

Fig. 6: Curva de calibración para la determinación de DQO



Resultados Los datos presentados en la Tabla 2 son el resultado de las mediciones por triplicado calculando el promedio y la desviación estándar en el nejayote crudo. En la Tabla 2 se observa que el efluente crudo tiene un pH de 10.08 ± 0.01 de lo que se deduce que presenta una alcalinidad alta, lógica por el cocimiento del maíz con hidróxido de calcio y resultado del primer drenado del nejayote al que hemos llamado crudo. Por otro lado, el valor de turbidez del efluente presentó un valor muy elevado (Figura 7), el cual indica la presencia de una alta cantidad de sólidos totales, lo cual se traduce en el elevado valor de DQO. En el tratamiento por electrocoagulación se midieron los valores de pH durante el proceso, y no hubo modificación, se lograron reducir los valores de sólidos totales como se muestra en la Figura 8b, lo cual repercute en el descenso de la DQO como se muestra en la Figura 8a, la remoción de sólidos totales, DQO y turbidez no fue significativa.

Como se aprecia en la Figura 8b, la cantidad de sólidos totales disminuyo en un 81.21% con el tratamiento por oxidación de Fenton, este valor se refleja en la DQO que disminuyó en un 89.70% y a su vez también hubo un descenso del 48.74% en la turbidez con respecto a los valores del nejayote crudo. Diversos autores han tratado el efluente generado de la nixtamalización del maíz, preferentemente por técnicas de filtración y degradación microbiológicas (Tabla 3), con resultados que van desde el 16.7 al 96.45% de remoción determinada por DQO. Los resultados de este trabajo indican que con el proceso Fenton, se logró una remoción alta de materia orgánica.

Tabla 2: Resultados de la caracterización del nejayote crudo

Parámetro Valor

pH 10.08 ± 0.01

Turbidez (NTU) 116.81 ± 0.37

Sólidos totales (mg/L) 27100 ± 198

Color verdadero Amarillo (λ=580 ± 3 nm)

Pureza del color 60%

Fig. 7: Comparación de la turbidez de acuerdo al tratamiento dado al nejayote



Fig. 8: (a) Comparación de los valores de DQO, (b) Comparación de los sólidos totales

Tabla 3: Proceso de remoción y de reducción de la materia orgánica presente en el efluente nejayote Proceso % de reducción

(DQO) DQO mgL-1 Referencia

Sistemas aerobios y lodos activados

90 - González-Martínez, 1984

Reactores biológicos rotatorios 96.43 - Pulido et al., 1987 Percolación 45.00 15240.00 Krishman et al., 1998 Proceso enzimático 21.00 - Domínguez-Espinoza & Pacho-Carrillo, 2003 Proceso microbiológico 87.00 3612.00 Salmerón-Alcocer et al., 2003 Membranas de nanofiltración 77.50 - Reyes-Vidal et al., 2012 microfiltración 16.70 - Castro-Muñoz et al., 2015a Ultrafiltración 29.38 - Castro-Muñoz et al., 2015b Sistema integrado de membranas 87.20 - Castro-Muñoz & Yañez-Fernández, 2015 Tratamiento enzimático (lacasa y quitosano)

70.00 - García-Zamora et al., 2015

Floculación-coagulación - Mayor a 200 Suárez-Meraz et al., 2016 Filtración 47.16 21163.68 Alarcón, 2018 Centrifugación 60.54 7200.00 Este trabajo Fenton 89.70 1878.33 Este trabajo

- No reportado

Conclusiones

Después de realizar de forma experimental la reducción de contaminantes de efluente del proceso de nixtamalización (nejayote), por medio de oxidación Fenton y Electrocoagulación, se concluye que:

• En el proceso de oxidación avanzada conocido como proceso Fenton realizado a presión atmosférica y temperatura de 25°C, y siguiendo una apropiada técnica para el agregado del reactivo Fenton en condiciones al sistema analizado, pH 2.8, el proceso alcanzó una significativa degradación de la materia en un 89.70 %

• El proceso de electrocoagulación cual redujo la materia orgánica en 60.54%. • El proceso de Fenton es más eficiente que la electrocoagulación con electrodos de aluminio. • La degradación de materia orgánica por proceso Fenton, es comparable con los procesos más eficientes de

remoción de materia orgánica reportados en la literatura.

(a) (b)



Las principales ventajas de esta tecnología (Fenton) sobre los métodos convencionales, se pueden resumir en: 1) Son técnicas con conversión, cuyo objetivo es transformar a los contaminantes en especies inocuas. 2) Generalmente se consiguen altos niveles de mineralización de los contaminantes, en cambio, las tecnologías

que no emplean especies fuertemente oxidantes no oxidan completamente la materia orgánica. 3) Además, el proceso Fenton tiene la ventaja de la disponibilidad y bajo costo del catalizador y que es elemento

no tóxico, la facilidad del manejo del oxidante y su descomposición en productos inocuos para el medio ambiente.

Finalmente, se concluye que, aunque el análisis por DQO del efluente tratado por Fenton, no cumplió la NORMA Oficial Mexicana, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales (NOM-001-ECOL-1996) con un valor de DQO menor a 200 ppm. Los resultados obtenidos, sugieren que probablemente con una investigación más profunda de este proceso, se puede llegar a obtener aguas residuales con la calidad para ser descargada al drenaje.

CONCLUSIONES Con el objetivo de mejorar la enseñanza y aprendizaje de la asignatura de tratamiento de aguas, a través de la investigación orientada, los alumnos de la asignatura realizaron la caracterización de una muestra del efluente generado del proceso de la nixtamalización de maíz (nejayote). Posteriormente, trataron muestras del efluente,

tanto por oxidación Fenton como por Electrocoagulación. Finalmente evaluaron por DQO, sólidos, totales y turbidez y concluyeron que el método más adecuado de tratamiento de la muestra de nejayote es el proceso Fenton. Empleando a la investigación como principio didáctico, en esta experimentación para la reducción de contaminantes del efluente nejayote”, se convierte en una importante estrategia didáctica para motivar a los estudiantes, ya que permite implementar diferentes estrategias y metodologías de enseñanza experimental que faciliten su aprendizaje fomentando el pensamiento científico, así como la competencia para el análisis de aguas

residuales y la integración de métodos fisicoquímicos para la reducción de contaminantes provenientes efluentes. Mediante la investigación como recurso didáctico, los estudiantes, adquirieron nuevos conocimientos e integraron conocimientos adquiridos en otras asignaturas, logrando la transversalidad de la enseñanza y aprendizaje de los planes de estudio. Además, de que adquirieron habilidades y competencias que les serán útiles en su desarrollo profesional. Entonces, la investigación como principio didáctico se adecúa a los planteamientos del aprendizaje como construcción de conocimientos, reconoce y potencia el valor de la creatividad, autonomía y la comunicación en el desarrollo de la persona, propiciando la organización de los contenidos en torno al tratamiento de problemas y favoreciendo la profesionalización de los programas de estudio como es el caso de laboratorio de tratamiento de aguas. Asimismo, la investigación determina una metodología didáctica y una evaluación entendida como reflexión acción de los procesos educativos. Con base a la experiencia docente, la investigación como principio didáctico en el laboratorio de tratamiento de aguas motiva al estudiante para el trabajo en equipo de carácter interdisciplinario y mejora su rendimiento académico. Por esta razón al proporcionar el problema la investigación en el laboratorio se refiere, no sólo a esas estrategias de enseñanza sino también a un proceso orientador en la toma de decisiones en el laboratorio. Se considera importante esta propuesta para la enseñanza aprendizaje de la química ya que permitió a los estudiantes emplear conceptos y comparar diferentes metodologías que arrojan distintos resultados los cuales permiten esclarecer el mejor método con base a su fundamento químico.



El desarrollar este tipo de estrategias promueve el estudio de nuevos tópicos en una época de contaminación y búsqueda de contribución ambiental, por lo que es importante diseñar este tipo de propuestas que favorezcan el pensamiento científico para promover la investigación como principio didáctico, para la innovación en esta área de enseñanza aprendizaje de la química. Para los docentes de química, resultaría útil, ya que se describen las etapas desarrolladas y puede ser replicado en los laboratorios de experimentación, fomentando la investigación en tratamiento de aguas residuales ya que tiene diversas aplicaciones industriales, comerciales y domésticas. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecemos el apoyo financiero de los proyectos DGAPA PAPIIT IN229119, PAPIME PE PE212118 y PIAPI1808 REFERENCIAS

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