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Introducción
Los sólidos suspendidos, los cuales por su propia naturaleza son de composición altamente heterogénea, se componen de partículas lo suficientemente grandes, como para enturbiar el agua, adicional a ello, se pueden incluir a los sólidos disueltos, que pueden agregar color al agua, estos pueden ser estimados fácilmente, a través de medidas la conductividad eléctrica (STS. 2020)
Con relación al agua que surte a la Universidad Metropolitana, ésta proviene del Parque Nacional Waraira Repano (El Ávila) y es de tipo cruda, ya que no es sometida a ningún tipo de tratamiento hasta llegar al punto de almacenamiento de la institución, desde el cual, se distribuye el agua a todo el campus de la universidad para cubrir el consumo de una población de aproximadamente 4.500 personas. El Departamento de Planta Física de la universidad, de acuerdo con información suministrada, Mendoza I. y Morón L. (Comunicación personal, 14 de enero, 2019), indica que el agua que transita por las tuberías que distribuyen el agua a la universidad, presenta cierta turbidez (cantidad de partículas en suspensión) y adicional a ello, en las mencionadas tuberías se observan incrustaciones y formación de depósitos blancos calcáreos. El procesamiento del agua cruda contempla un tratamiento fisicoquímico, conocido como coagulación y floculación, utilizando agentes coagulantes. Aquí, los más utilizados son los coagulantes metálicos, pues poseen la capacidad de actuar como coagulantes y floculantes y, cuando son disueltos, forman compuestos complejos hidratados. Un ejemplo de ellos es el sulfato de aluminio (alumbre)(Guzmán et al., 2013).
El proceso fisicoquímico que se llevará a cabo, coagulación-floculación, se define como la adición de sustancias químicas, para que las partículas y algunos contaminantes disueltos se aglutinan en partículas más grandes que se puedan retirar mediante procesos de remoción de sólidos (Dempsey, 2006) 3. Involucra la desestabilización de cargas en las partículas coloidales (entre 10-6 y 10-9m) presentes en un sistema. Estas partículas están, por lo general, cargadas negativamente, debido a la presencia de grupos RCOO- y OH-. La carga negativa en la superficie causa repulsión entre las partículas, evitando la aglomeración y la formación de partículas más grandes que sedimentan fácilmente. En general, la coagulación es un proceso donde el potencial repulsivo de la doble capa eléctrica del coloide es reducido, de tal manera, que se pueden producir micro-partículas. Estas micro-partículas chocan con otras y forman estructuras más grandes (flóculos) en el proceso de floculación (Matilainen et al., 2010). Este proceso, se lleva a cabo a un pH óptimo de coagulación, y que corresponde al punto isoeléctrico (Lorenzo-Acosta, 2006).
La remoción de turbidez y de organismos en los suministros de agua involucra la eliminación de impurezas que están cargadas negativamente a niveles de pH natural y han formado una dispersión estabilizada (Bolto,1995). A través del uso de un agente floculante, (Restrepo, 2009), se promoverá la formación y precipitación de flóculos, los cuales, al ser posteriormente removidos, minimizará la cantidad de los sólidos en suspensión presentes en el sistema. Su aplicación incluye la remoción de especies químicas disueltas y eliminación de la turbiedad del agua; además, la coagulación/ floculación es un paso fundamental en el proceso de tratamiento del agua, no solamente porque remueve las partículas responsables de la turbiedad producida por las partículas suspendidas (mayores a 10-6m) y por el material coloidal, sino porque también remueve los microorganismos que, a menudo, se adhieren a las partículas (McCarthy y Zachara, 1989) (Antov et al., 2010) ; sin embargo, existen desventajas asociadas al uso de estos coagulantes, como altos costos de adquisición, producción de grandes volúmenes de lodo y el hecho que afectan significativamente el pH del agua tratada (Yin, 2010) (Haaroff y Cleasby 1988).
Al implementar correctamente el mecanismo de coagulación-floculación (Andía, 2000), (Rodríguez M. et al., 2007) para la mejora de la calidad del agua, se garantiza el cumplimiento, por parte de la institución, de los requisitos establecidos a nivel nacional (Gaceta Oficial N° 36.395).
En el presente estudio, no se maneja el aspecto de calidad del agua, desde el punto de vista bacteriológico, solo se tratará de comparar el mecanismo de coagulación-floculación con dos tipos de coagulante, alumbre: comercial y preparado a partir de material de reciclaje, como una alternativa para mejorar la calidad de las aguas de entrada de la Universidad Metropolitana y que redundaría en reducción de costos y en una contribución con el ambiente.
El material de reciclaje seleccionado está constituido por bandejas de papel de aluminio utilizadas como recipientes colectores de alimentos. Pudo ser utilizado también latas de refrescos, solo, que en este caso habría que llevar a cabo un procedimiento adicional para eliminar las capas de esmalte, algo que no se hace necesario, en el caso de las bandejas, ya que se pueden utilizar directamente, después del proceso del acondicionamiento (lavado, secado, cortado).
Materiales y métodos
Procedimiento experimental
El procedimiento experimental consta de dos fases: Fase I (referida al alumbre comercial) y Fase II (referida al alumbre sintetizado a partir de material de reciclaje). Como se muestra en la Figura 1.
Fase I
Muestreo
Las muestras se tomaron en diferentes puntos de la Universidad: Zona de aulas (Cendeco), Biblioteca y zona de laboratorios (Corimón). El agua cruda que se suministra en la Universidad Metropolitana proviene del Parque Nacional Waraira Repano (El Ávila) y se almacena en un tanque principal cuya capacidad es de un millón de litros (1.000.000 L.), desde el cual se hace la distribución. La red de distribución tiene una antigüedad de más de 30 años y está conformada por tuberías de hierro galvanizado de un diámetro aproximado de 2 a 3 pulgadas. Indicado por L. Morón (Comunicación personal, 14 enero, 2019).
La cantidad mínima requerida para el análisis de muestras instantáneas es de 1 a 2 L (COVENIN 2709:2002, 2002). En función de esto, la muestra de estudio estuvo constituida por la toma de 1,5 L. de volumen de agua; su recolección constó de dos muestras por cada punto de captación (Cendeco, Biblioteca y Corimón). Los envases con las respectivas muestras se etiquetaron y resguardaron refrigeradas a una temperatura de 7 °C aproximadamente para evitar la formación de microorganismos.
Reactivos y equipos utilizados en la caracterización inicial de las muestras de agua.
En la Tabla 1, se muestran las propiedades evaluadas al agua cruda, junto con los equipos, técnicas y reactivos utilizados en cada caso.
Tabla 1 Propiedades evaluadas en el agua cruda.
| Propiedad | Instrumentos, reactivos, Técnica |
|---|---|
| pH | pHmetro y electrodo de vidrio, Marca: Hanna Instruments, modelo HI 8424 (± 0,01) |
| Dureza (Rodríguez, 2014) | Titulación volumétrica, utilizando EDTA, solución amortiguadora (pH=10) y el indicador Negro de EriocromoT |
| Conductividad | Conductímetro con su respectivo electrodo, Marca Hanna Instruments, Modelo: HI 8033 (± 1%) |
| Cloro | Reactivo O-Tolidina (3,3'-dimetilbencidina) como indicador y el dispositivo de escala Hellige, Modelo No 605-HT |
| Cloruros | Identificación cualitativa, utilizando una plancha de calentamiento con agitación magnética, marca: Corning, Marca: Corning, modelo PC-420 y soluciones de HNO3 1M y AgNO3 0,1 M |
| Sulfatos | Identificación cualitativa con HCl 1M y BaCl2 0,01M |
Fuente: Elaboración propia
Punto isoeléctrico y determinación de la concentración óptima de agente floculante. proceso de coagulación-floculación en el punto isoeléctrico.
Estos procedimientos se aplicaron tanto para el alumbre comercial (Riedel-de Haen®), como para el alumbre sintetizado a partir de material de reciclaje.
En la Tabla 2 se muestran los instrumentos, reactivos y técnica utilizados para la evaluación de estos parámetros.
Tabla 2 Parámetros evaluados. Instrumentos, reactivos, técnica.
| Parámetro | Instrumentos, reactivos, Técnica |
|---|---|
| Punto Isoeléctrico (Lorenzo-Acosta, 2006) | Potenciómetro Marca: Metrohm. Modalidad dual (pH y eH) (± 0,01) Reactivos HCl 1M |
| Concentración óptima de agente floculante (Escudero, 2016) (Cogollo, 2011) | Método de la Jarra (ASTM D2035-13): Alumbre comercial: KAl(SO4)2.12H2O (Riedel-de Haen), material de vidrio, plancha con agitación magnética, Marca Corning, modelo PC-420, cronómetro (± 0,005 s) |
| Proceso de coagulación-floculación (Cogollo, 2011) (Escudero, 2016) | UV-visible: Espectrofotómetro Marca Fisher, modelo 4001/4 Thermo Scientific (Genesys 20). Longitud de onda 575 nm |
Fuente. Elaboración propia.
Concentración óptima de agente floculante y Proceso de coagulación-floculación en el punto Isoeléctrico
Para establecer la concentración óptima de agente floculante, se siguió el Método de la Jarra (ASTM D2035-13), combinándolo con medidas de absorbancias (UV visible), pues hay una relación numérica entre la densidad de la luz que incide sobre la muestra y la intensidad de la misma luz, que sale de la muestra. (Molano y Iannacone, 2018). Se realizó un barrido espectral utilizando el espectrofotómetro GENESYS. La longitud de onda arrojada fue de 575 nm. Se escogió un rango de trabajo entre 20 y 80 ppm.
Después de haber establecido el punto isoeléctrico, se midió la absorbancia inicial (antes de agregar el agente floculante) en el Espectrofotómetro a 575 nm. Luego a cada solución se le agregó el agente floculante, se colocó en la plancha con agitación magnética y se agitó en marcha rápida durante 3 minutos, seguidamente se continuó agitando en marcha lenta durante 12 minutos y se dejó reposar durante 1 hora. El tiempo se midió con cronómetro). Se determinó la absorbancia final, del sobrenadante, con el espectrofotómetro a 575 nm.
Caracterización final.
Posteriormente, después del proceso de coagulación floculación, cada solución se caracterizó nuevamente en función de dureza, conductividad, cloro, cloruros y sulfatos.
Fase II
Síntesis del alumbre, a partir de material de reciclaje
Se pesaron en una balanza Ohaus (± 0,01g) tiras de bandejas de papel de aluminio, en un rango de 0,90 g a 1,20 g. Se utilizaron KOH 2,8 M, H2SO4 6M y etanol (pa), como reactivos y rojo de metilo, como indicador (Gonzalez et al., 2018). La reacción (1), se muestra a continuación:
Los siguientes pasos (Fase II), fueron los mismos que para la Fase I, (ya mencionado anteriormente).
Resultados-Discusión
Fase I
Es de destacar, que las mediciones se realizaron por triplicado y lo que se muestra es el promedio de estas.
En la Tabla 3, se muestran los valores de caracterización inicial, para las muestras de agua cruda, de Cendeco, Biblioteca y Corimón.
Tabla 3 Valores de caracterización inicial, obtenidos para las muestras de agua cruda.
| Muestra | pH ± 0,01 | Dureza (mg/L) ± 0,02 | Conductividad μs ± 25 | Cloro | Cloruros | Sulfatos |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cendeco | 7,28 | 80,07 | 467 | No | Si | Si |
| Biblioteca | 7,36 | 100,09 | 738 | No | Si | Si |
| Corimón | 6,99 | 90,04 | 543 | No | Si | Si |
Fuente: Elaboración propia.
Los valores del pH podrían explicar la formación de incrustaciones de carbonatos en las tuberías mencionadas por Morón L. (Comunicación personal, 14 de enero de 2019).
Que un agua sea finalmente ligeramente básica, como es lo habitual en un agua natural, se debe básicamente a la existencia de carbonatos-bicarbonatos, provenientes de lixiviación de rocas calizas (parte del carbonato que contienen, puede pasar al agua, aumentando de forma natural el pH hasta rangos ligeramente alcalinos (Eyre, B.D. 2014) Los valores de pH obtenidos, corroboran esta afirmación.
En el caso del agua de entrada de la Universidad Metropolitana, esta proviene de acuíferos naturales del Parque Nacional Waraira Repano, por lo que es viable su tránsito a través de rocas calizas.
Al establecer una comparación entre la Gaceta Oficial N° 36.395 y los resultados obtenidos en este apartado; se pudo determinar que las muestras de agua analizadas (Cendeco, Corimón y Biblioteca) están dentro del rango de pH óptimo según la normativa (pH = 6,5-pH = 8,5), para este tipo de agua.
En cuanto a los resultados obtenidos, para la dureza, se puede decir que todas las muestras están en el rango de clasificación de agua poco dura, (76-150 mg/L en CaCO3) tal como se muestra en la tabla 4. Al establecer una comparación con la Gaceta Oficial N° 36.395 y los resultados que se obtuvieron antes de la aplicación de la técnica de coagulación-floculación, se observa que el valor de dureza obtenido para las tres muestras analizadas estaba dentro de los parámetros o rangos establecidos como permitidos, para este tipo de agua, donde la concentración de carbonato de calcio (CaCO3) debe ser menor a 250 mg/L.
A continuación, se muestra en la Tabla 4 de clasificación de agua, en función de la dureza.
Tabla 4 Clasificación del grado de dureza del agua.
| Concentración de CaCO3 (mg/L) | Grado de dureza |
|---|---|
| 0-75 | Suave o blanda |
| 76-150 | Poco dura |
| 151-300 | Dura |
Fuente: Elaboración propia.
Con relación a la conductividad, se puede observar que en el caso de la muestra de tomada en la zona de la Biblioteca, este valor es más alto, esto puede estar, en principio, correlacionado con el valor de dureza asociada a esta muestra (es el mayor valor) y adicional a ello el trayecto recorrido para distribución por las tuberías es más largo en comparación al de las muestras de agua de Corimón y Cendeco, como se puede apreciar en la Figura 2, (Briceño y Olano, 2006), por lo que su impacto en el deterioro interno de dichas tuberías pudo haber sido mayor al de las otras muestras, y podría haber proporcionado iones adicionales a la muestra de agua evaluada.
Fuente: Suministrado por Gerencia de Planta Físca. Universidad Metropolitana.
Figura2. Plano de distribución de aguas en la Universidad Metropolitana.
Con relación al cloro, no se observa su presencia, debido a que al ser agua cruda y provenir de una fuente natural (Parque Nacional Waraira Repano), no se lleva a cabo el proceso de cloración, entra directamente al tanque y se distribuye por las tuberías. Si el proceso de cloración se hubiese llevado a cabo, la reacción (2) que se originaría sería la siguiente, en la que se indica la formación del cloro activo (Cl2):
Con respecto a sulfatos y cloruros, hay presencia de ambos en las tres muestras de agua analizadas (Cendeco, Biblioteca y Corimón). Era lo esperado, dada la procedencia del agua. No se realizó la determinación cuantitativa, por no ser el objetivo del presente estudio.
Con respecto al Punto Isoeléctrico y concentración óptima de agente floculante comercial, los resultados se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5 Valores de pH (punto isoeléctrico) y concentración óptima de floculante (alumbre comercial).
| Muestra | Concentración óptima de floculante (ppm) | Punto Isoeléctrico (pH) | Absorbancia inicial | Absorbancia final | % Reducción Absorbancia |
|---|---|---|---|---|---|
| Cendeco | 60 | 6,92 | 0,038 | 0,0190 | 50 |
| Biblioteca | 20 | 6,90 | 0,143 | 0,0160 | 89 |
| Corimón | 60 | 6,90 | 0,215 | 0,0460 | 79 |
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 3, se muestra el comportamiento del pH, para la determinación del Punto Isoeléctrico (en las tres muestras, el comportamiento es similar).
Por el método de la Jarra, se determinó que la concentración óptima de floculante era de 60 ppm para las muestras de Cendeco y Corimón y 20 ppm, para las muestras de la Biblioteca. Estos valores fueron corroborados, a través de las medidas de absorbancia por UV visible. Esta metodología, también puede asociarse a procesos de evaluación de clarificación del agua (Escudero, 2016) (Cogollo, 2011) (Molano y Iannaconte, 2018). El promedio de reducción en la absorbancia, para las tres muestras de agua, corresponde a 73 % aproximadamente y el promedio de la concentración óptima de floculante sería de 47 ppm. En la Figura 4, se muestra el comportamiento de la muestra de Cendeco, (En las tres muestras, el comportamiento es similar), en función de la Absorbancia obtenida inicialmente (antes de agregar el agente floculante comercial) y la Absorbancia obtenida finalmente (después de agregar el agente floculante comercial).
Fuente: Elaboración propia
Figura4. Absorbancia en función de concentración de alumbre comercial. Cendeco.
En este estudio se utilizaron estos dos métodos, para corroborar la concentración óptima del agente floculante, en el punto isoeléctrico. Hay autores (Restrepo, 2009) que utilizan valores de concentración y turbiedad relacionados con el potencial Z y, por ende, con el punto isoeléctrico. En este estudio se sustituyó por el método de evaluación de Absorbancias (UV-visible), utilizado como método de evaluación para la clarificación de aguas (Escudero, 2016), pues también se pueden relacionar con la turbidez. (Molano y Iannaconte, 2018). Es posible que los resultados, sean correlativos. No se disponía de un nefelómetro.
En la Tabla 6 se muestran los valores de los parámetros de caracterización final.
Tabla 6 Valores de caracterización final, obtenidos paras muestras de agua, utilizando alumbre comercial.
| Muestra | Dureza (mg/L) ± 0,02 | % Reducción de la dureza | Conductividad μs ± 25 | % Reducción Conductividad | Cloro | Cloruros | Sulfatos |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cendeco | 60,05 | 25 | 242 | 48 | No | Si (leve) | Si(leve) |
| Biblioteca | 68,06 | 32 | 96 | 87 | No | Si (leve) | Si (leve) |
| Corimón | 72,07 | 20 | 133 | 76 | No | Si (leve) | Si (leve) |
Fuente: Elaboración propia.
En los tres tipos de muestras se observa una disminución sustancial en cuanto a la conductividad en un 70 % en promedio, aproximadamente y en cuanto a la dureza en un 26 % en promedio, aproximadamente, quedando ésta, en el rango de suave o blanda. Una posible reacción (3) entre el agente floculante y una sal de calcio puede ser la siguiente:
En cuanto a la presencia de cloruros y sulfatos, lo que se observaba era una turbidez, sin llegar a consolidarse el precipitado, en el fondo del recipiente, a diferencia de las muestras sin tratamiento de floculación, donde se formaba un precipitado abundante y rápidamente que se asentaba en el fondo del recipiente. Adicionalmente, se observó una mejora en el aspecto visual (clarificación) de los tres tipos de muestras.
Fase II
En las Tablas 7 y 8, se muestran los mismos parámetros evaluados a través del proceso de floculación con alumbre preparado a partir de material de reciclaje.
Tabla 7 Valores de pH (punto isoeléctrico) y concentración óptima de floculante (alumbre preparado a partir de material de reciclaje).
| Muestra | Concentración óptima de floculante (ppm) | Punto Isoeléctrico (pH) | Absorbancia inicial | Absorbancia final | % Reducción Absorbancia |
|---|---|---|---|---|---|
| Cendeco | 40 | 6,92 | 0,155 | 0,022 | 85,8 |
| Biblioteca | 20 | 6,90 | 0,179 | 0,084 | 53 |
| Corimón | 60 | 6,90 | 0,187 | 0,123 | 34 |
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 8 Valores de caracterización final, obtenidos para muestras de agua floculadas con alumbre preparado a partir de material de reciclaje.
| Muestra | Dureza (mg/L) ± 0,02 | % Reducción de la dureza | Conductividad μs ± 25 | % Reducción Conductividad | Cloro | Cloruros | Sulfatos |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cendeco | 60,05 | 25 | 94 | 80 | No | Si (leve) | Si(leve) |
| Biblioteca | 64,06 | 36 | 169 | 77 | No | Si (leve) | Si (leve) |
| Corimón | 72,07 | 20 | 247 | 54 | No | Si (leve) | Si (leve) |
Fuente: Elaboración propia.
De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que se mantiene la concentración óptima de floculante, en 20 y 60 ppm, para los casos de las muestras de Biblioteca y Corimón, mientras que en el caso de Cendeco disminuye hasta 40 ppm. El promedio de la concentración óptima, para las tres muestras, sería 40 ppm.
Al igual, que, en el caso del proceso con alumbre comercial, en este caso (alumbre sintetizado, a partir de material de reciclaje), se observó una mejora en el aspecto visual de los tres tipos de muestras (clarificación), lo cual se puede observar en la reducción de la absorbancia, siendo esta del 58 % en promedio. En el caso de la dureza, la reducción fue 27 % en promedio, aproximadamente.
Con respecto a la conductividad, se redujo en un 70 % en promedio, aproximadamente.
En la Figura 5 se muestran los valores del comportamiento de absorbancia, en función de las concentraciones, para la muestra de Cendeco, (En las tres muestras, el comportamiento es similar).
Fuente: Elaboración propia.
Figura5. Absorbancia en función de concentración del floculante sintetizado. Cendeco.
A continuación, se muestra en la Tabla 9 un resumen de los valores obtenidos, para los parámetros evaluados con los dos tipos de alumbre, comercial y sintetizado a partir de material de reciclaje.
Tabla 9 Valores comparativos entre Alumbre comercial y Alumbre sintetizado a partir de material de reciclaje.
| Tipo de Alumbre | Concentración óptima de floculante. ppm (promedio) | Promedio de % Reducción Conductividad | Promedio de % Reducción Dureza | Promedio de % Reducción Absorbancia |
|---|---|---|---|---|
| Comercial | 47 | 70 | 26 | 73 |
| Sintetizado | 40 | 70 | 27 | 58 |
Fuente: Elaboración propia.
De todo lo anteriormente expuesto, se puede inferir que el alumbre preparado a partir de material de reciclaje funciona prácticamente igual al alumbre comercial.
Con el uso de ambos tipos de alumbre se observó una mejora en el aspecto visual de los tres tipos de muestras (clarificación), lo cual se explica en función de la reducción de la absorbancia, sin embargo, quizás después del proceso de síntesis del alumbre comercial, queden algunas impurezas, que puedan provenir del material precursor (papel de aluminio) lo cual podría afectar en algunos valores, como, por ejemplo, los de la absorbancia. Esto podría mejorarse en el proceso de purificación del alumbre obtenido a partir de la síntesis. Finalmente, también se visualiza una disminución de la dureza, similar con ambos tipos de alumbre.
Este proceso podría aplicarse previamente al agua cruda, antes de su entrada al tanque, de manera que, al ser posteriormente, distribuida a través de las tuberías de la Universidad Metropolitana de Caracas, se minimicen, por ejemplo, procesos de incrustaciones calcáreas en las mismas y presencia de sólidos en suspensión.
Por otra parte, sería interesante promover un tipo de software como el Super Pro Designer - ZelioSoft para, en un futuro, manejar los procesos involucrados en la mejora de la calidad del agua de la Universidad Metropolitana (Díaz, 2019).
Conclusiones
El proceso coagulación-floculación aplicado a las muestras de agua de la Universidad Metropolitana, utilizando los dos tipos de alumbre (comercial y sintetizado a partir de material de reciclaje) fue efectivo para establecer una mejora en la calidad del agua cruda de entrada a la Universidad Metropolitana de Caracas.
El valor de la concentración óptima de floculación, fue establecido en 47 ppm, en promedio, para el proceso con alumbre comercial y 40 ppm, en promedio, para el proceso con alumbre sintetizado a partir de material de reciclaje.
La reducción en la conductividad, utilizando ambos tipos de agente floculante fue del 70 %.
La reducción de la dureza, utilizando ambos tipos de agentes floculantes fue del 26 %.
Hay una diferencia en la reducción de la absorbancia (20 %), ya que utilizando el alumbre comercial fue del 73 %, mientras que con el alumbre sintetizado fue del 58 %.
Al comparar los valores obtenidos, para el porcentaje de reducción de: conductividad, dureza y absorbancia (clarificación), se demostró que el alumbre sintetizado a partir de El material de reciclaje actúa, prácticamente, con la misma eficiencia que el alumbre comercial, lo cual podría representar un ahorro sustancial en los costos asociados a un proceso de coagulación y floculación.
