“EVALUACIÓN DE LA APLICACIÓN DE UN MATERIAL ARCILLOSO PARA USARLO COMO BARRERA PARA LOS LIXIVIADOS, EN LOS TIRADEROS DE BASURA MUNICIPAL” Gabriel Martínez Herrera, José Apolinar Cortes Facultad de Ingeniería Química, Universidad Michoacana (UMSNH) E-mail. gmartine@umich.mx, gmartine_17@hotmail.com RESUMEN Esta investigación, consistió en la medición de la eficiencia de remoción del material orgánico e inorgánico, contenido en los lixiviados de la basura depositada en los tiraderos municipales, mediante el empleo de columnas empacadas con arcilla en su estado natural, activada con H2SO4 y modificando su estructura utilizando el cloruro de cetilpiridinio, a nivel laboratorio. La arcilla utilizada es una mezcla de tres tipos diferentes de arcilla: Montmorillonita, Halloysita y Anorthita las que pertenecen a los grupos minerales de las Esmectitas, la primera y los Caolines la segunda. El trabajo se desarrollo en las instalaciones de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMICH), la arcilla se extrajo de la Mina “Agua Blanca” de Ciudad Hidalgo, Michoacán. El financiamiento para el trabajo fue de la empresa “Minera Mexicana” y la Coordinación de la investigación Científica en la UMICH. Los problemas encontrados en el trabajo, sobre todo fueron la desconfianza de los responsables para con la recolección, traslado y confinamiento de los residuos sólidos, ya que, como por lo común los residuos mal manejados son los que traen los problemas de los lixiviados, tratan de que los problemas no salgan al publico. La caracterización de la arcilla se hizo con difracción de rayos x y Bett realizada por Martínez Herrera en 2003. El promedio del volumen de poro es de 0.3149 cc/g para diámetros de poro de 78.71 Ao. El material arcilloso se activó con una solución al 3.5 % de ácido sulfúrico con la finalidad de incrementar su poder de adsorción, al incrementar su volumen de poro y modificar su carga eléctrica, . La parte experimental consistió en hacer pasar los lixiviados por el material arcilloso contenido en columnas de acrílico, variando la longitud de la columna, tamaño de arcilla y flujo. El diseño experimental se construyo, considerando pruebas exploratorias y finales, la finalidad de las pruebas exploratorias fue el encontrar el mejor tamaño de arcilla tanto natural como activada. Considerando los resultados de las pruebas exploratorias, las pruebas finales se realizaron con empaque de arcilla malla 14-30 natural y activado. El seguimiento se realizó midiendo antes y después de la columna los parámetros de conductividad eléctrica, pH y Demanda Química de Oxígeno (DQO), tomando el tiempo cada 200 ml. de muestra tratada. Por otra parte se investigó el comportamiento del cromo hexavalente. La DQO antes de los experimentos fue de 3100 ppm (promedio), el pH de 8.08 y la conductividad eléctrica de 18,400 µmohos, y después de los experimentos pasaron a valores promedio de 37 ppm para la DQO, 6.87 para el pH y 14,300 µmohos para la conductividad eléctrica. El cromo hexavalente, considerado como un metal cancerígeno, al medirse cualitativamente y cuantitativamente se demostró que el material arcilloso logra reducciones de más del 80%. Un problema se encontró es el tiempo de saturación del material, lo que se traduce en cambios continuos del mismo, con la finalidad de tener alta eficiencia de remoción. Palabras clave: arcilla, adsorción, lixiviados, relleno sanitario
INTRODUCCIÓN La contaminación del suelo no ha recibido gran atención al resultar menos notoria que la contaminación del aire o del agua. Sin embargo, es un problema de primera magnitud. Su incidencia sobre la salud humana o los ecosistemas se pone de manifiesto a través de vías de contacto como son las constituidas por las fases diluidas (aire y agua). Cuando los residuos sólidos acaban en un vertedero, se origina un líquido o lixiviado; es decir materia sólida descompuesta además de sustancias cancerígenas debido a su alto contenido de cadmio, bario, cromo, plomo, etc. Estos materiales contaminan el suelo, y el agua superficial y subterránea, haciendo más caótico el problema de la obtención de agua potable. El transporte de los contaminantes en el suelo es muy lento comparado con su desplazamiento en el aire o el agua superficial y esta es la causa más probable de que la contaminación del suelo haya sido considerada menos importante. No obstante, la propia lentitud del transporte en el suelo provoca que el problema tenga una mayor extensión en el tiempo. Los tratamientos que actualmente se les da al lixiviado son dos: Procesos aerobios; los lixiviados son tratados en presencia de oxígeno, los más comunes son los de lodos activados, de película fina y por medio de reactores biológicos. Procesos anaerobios; los lixiviados son tratados en ausencia de oxígeno, se prefieren cuando se tiene una relación de DBO/DQO de 0.7 sin degradar y 0.3 parcialmente estabilizado. Una de las tecnologías de remediación que han generado gran interés son las barreras reactivas permeables (BRP). Esto es debido a la relación costo/beneficio y al potencial de las barreras reactivas permeables para disminuir la concentración de los contaminantes que han mostrado dificultad y costo para manejarse con otros medios de limpieza. El concepto de barrera reactiva permeable es simple. El material reactivo que se emplea se sitúa en el subsuelo donde una pluma contaminante de lixiviados se mueve a través de esté como un flujo, bajo un gradiente natural, creando un sistema de tratamiento pasivo. La barrera reactiva permeable no es una barrera para el agua, es una barrera para el contaminante. La innovación de las barreras reactivas permeables es que son efectivas en remediar suelos y la calidad del agua subterránea (Rummer y Ryan, 1993). A la fecha se ha invertido mucho dinero y esfuerzo en la restauración del medio ambiente (Kelly, 1989). Ha habido progresos significativos que han mejorado el medio ambiente en basureros, rellenos sanitarios y la calidad de las aguas superficiales y subterráneas, aunque el reto aún existe en esas áreas (EPA, 1998) El desarrollo tecnológico, la explosión demográfica, el uso cada vez mayor de energéticos y recursos naturales, el consumo excesivo de productos superfluos, prescindibles y desechables, el uso equivocado de los recursos, han tenido como consecuencia la generación incontrolada y la acumulación de los residuos se han convertido en uno de los problemas más difíciles de resolver al que se enfrenta no solo México, sino la humanidad entera (Marín, 1995) El incremento tan acelerado de la generación de residuos sólidos la poca educación ambiental actual existente y la gran diversidad de materiales que componen la basura, demanda una mayor cobertura del sistema, así como nuevas alternativas de tratamiento, nuevos equipos y tecnología, con la finalidad de establecer sistemas de manejo, control y aprovechamiento que resguarden el nivel de vida de la población (López, 1995).El relleno sanitario es el confinamiento de los residuos sólidos en sitios y condiciones adecuadas para evitar daños a los ecosistemas y proporcionar su adecuada estabilización. Sin embargo, los lixiviados generados por los residuos 1
sólidos no han sido controlados contaminando el suelo, agua superficial y subterránea. En muchos sitios contaminados, el lixiviado vertical y/o volatilización de compuestos orgánicos pueden llevar a altas exposiciones y una salud humana inaceptable o alto riesgo ambiental (Murdock, 1997).El lixiviado líquido que arrastra materiales sólidos y solubles producto de la descomposición bioquímica de los residuos sólidos, puede incrementarse por la permeabilidad de la superficie del terreno y el aumento en la precipitación pluvial. La preocupación de controlar los contaminantes en los lixiviados han dado origen a la realización de estudios dentro de los cuales destacan: Hanashima y Col. (1983), realizaron estudios para el control de lixiviados en un relleno sanitario; posteriormente publicaron resultados para desarrollar tecnologías en estudios de contaminación de suelos por residuos sólidos. Anón, 1999, construyó y usó un birreactor para el control de amonio procedente de un relleno sanitario. Burton y Watson-Craik (1998) se propusieron controlar los flujos de amonio y nitrógeno. Hudgins y Harper (1999) diseñaron dos sistemas aerobios para controlar los flujos contaminantes de nitrógeno. Knox, en 1995, realizó un estudio piloto para la desnitrificación durante la recirculación prolongada de lixiviados. Waiker, en 1993, realizó el estudio para el control de lixiviados en un relleno sanitario. Uno de los sitios donde pueden encontrarse contaminantes inorgánicos son los campos de lixiviados, áreas de disposición de residuos químicos, rellenos sanitarios, lagunas de oxidación, etc. Las propiedades y el comportamiento de los contaminantes inorgánicos cuyas cantidades relativas de cada uno de ellos, pueden tender a favorecer ciertas tecnologías. A veces pueden encontrarse metales en su forma elemental y en otras como sales. Los metales no pueden degradarse o rápidamente destóxificarse. La presencia de metales en residuos puede ser un riesgo ambiental a largo plazo, el destino del metal depende de sus propiedades físicas y químicas. La migración de los metales en el suelo, ocurre cuando la capacidad de retención del suelo es rebasada o cuando los metales se solubilizan (ejemplo, por bajo pH). Como la concentración de los metales excede la capacidad del suelo de retenerlos, los metales se lixiviaran con el agua. La magnitud de la contaminación esta íntimamente relacionada a la solución del suelo y a su química. Blowes, en 1995, usó una barrera reactiva permeable de carbón activado para eliminar los contaminantes (níquel, hierro y sulfatos) del agua subterránea que fue contaminada por la explotación de una mina de níquel. Donohue, en 1998, para eliminar los contaminantes (plomo, cadmio, arsénico, cinc, cobre) empleó piedra caliza como medio reactivo. El agua subterránea tratada provenía de un acuífero que fue contaminado por una planta procesadora de plomo. La mayoría de las barreras usadas incluyen paredes con mezclas de estiércol-agua, barreras de lechada estas barreras se han usado en la industria de la construcción para reducir la filtración hacia las aguas subterráneas (Xanthakos, 1994). Los sistemas de barrera se han usado para controlar la migración de contaminantes o como un componente integral para la remediación de sitios contaminados con residuos peligrosos (Spooner y col., 1984). Los contaminantes pueden encontrarse repartidos en el suelo en cuatro fases principales: vapor, disolución acuosa, fase líquida no acuosa (NALP, No Aqueous Phase Liquids) y sorbidos en los sólidos y coloides. La proporción en la que se encuentran los contaminantes en estas fases depende de las propiedades físico-químicas de los mismos. La distribución del contaminante entre ellos es función de: la presión de vapor, solubilidad del agua, constante de Henry y el coeficiente de reparto (Rummer y Ryan, 1993). Para el control de los contaminantes del lixiviado, se propone el uso de arcillas con un medio reactivo, como barreras reactivas permeables. La arcilla tiene una carga negativa neta, por esta razón los contaminantes aniónicos tienen una alta movilidad en el agua y a través de los rellenos 2
sanitarios. Controlando la movilidad de los contaminantes contenidos en los rellenos sanitarios con el uso de arcillas puede evitarse la contaminación del suelo y del agua. Una barrera reactiva permeable es una zona de tratamiento “in situ” de material reactivo que degrada o inmoviliza contaminantes de un flujo acuoso. Son consideradas nuevas e innovadoras. También facilitan reacciones que descomponen contaminantes en productos inocuos e insolubles y adsorben materiales reactivos. Las barreras reactivas permeables usan un medio reactivo como el hierro metálico Fe(0), para transformar a los contaminantes en no tóxicos o especies inmóviles. El medio reactivo (hierro, piedra caliza, carbón) puede mezclarse con arcillas, arena, etc, Los materiales reactivos no dañan al agua ni a las personas. El material a usar depende del tipo de contaminantes. El tiempo que toma depende del tipo y cantidad de contaminación presente y de la velocidad del fluido a través de la barrera reactiva permeable (EPA, 1999). La adsorción es una operación unitaria, y se define como el proceso por el cual un componente se mueve de una fase a otra a través de sus límites. El proceso de adsorción tiene lugar en una superficie. Proceso que se ve beneficiado cuando la arcilla tiene una estructura porosa con una gran área superficial interna, en la industria se le considera como complementaria o suplementaria de otras operaciones y procesos unitarios. Los adsorbentes industriales empleados son varios entre ellos se tiene, la tierra de batan, bauxita, carbón activado, gel de sílice, carbones medicinales, etc. Las arcillas en su definición más amplia son agregados minerales terrosos o pétreos que se componen esencialmente de silicatos de aluminio hidratado, plástico cuando están suficientemente pulverizados y humedecidos, rígidos cuando están secos y vítreos cuando se calcinan a temperaturas arriba de 350°C OBJETIVOS El propósito de éste trabajo es la evaluación de la capacidad adsorbente de un material arcilloso extraído de la Mina Agua Blanca, en el Estado de Michoacán, en su estado natural, activado con H2SO4 y modificando su estructura utilizando el cloruro de cetilpiridinio. como barrera para retener la contaminación por lixiviados provenientes de rellenos sanitarios al suelo y eventualmente a los mantos freáticos. Se considera que los parámetros evaluados (DQO, Ph, conductividad eléctrica y cromo hexavalente) son un indicador del grado de depuración de los lixiviados para determinar si es pertinente continuar con la investigación para contaminantes específicos como sería el caso de metales pesados. Además, en investigaciones subsecuentes podrá evaluarse la viabilidad económica de la metodología propuesta, ya que si el material arcilloso se agota muy pronto, la cantidad a utilizar y su disposición controlada podría no ser rentable. METODOLOGÍA El trabajo de investigación consistió en la adsorción de los lixiviados, empleando un material arcilloso en su estado natural, activado con H2SO4 y modificando su estructura utilizando el cloruro de cetilpiridinio. El material arcilloso se caracterizó empleando dos técnicas: La primera fue por medio de difracción de Rayos X, DFX. Esta técnica permitió identificar los tipos de arcillas encontrados en la muestra. La segunda técnica consistió en el empleo del equipo Bet, con lo que se encontró el tamaño de poro, diámetro de partícula, área superficial e, incluso, las isotermas de adsorción. Los lixiviados se tomaron del relleno de basura del municipio de Morelia, Michoacán y se caracterizaron con la finalidad de tener los valores de los parámetros como la demanda química de oxígeno total, DQOt, el valor de pH y la conductividad eléctrica 3
(medidos empleando las técnicas estándar (APHA, 1996). El lote de lixiviados se mantuvo en refrigeración a 4°C para mantener sus características relativamente constantes. Parte experimental Consistió en hacer pasar los lixiviados por el material arcilloso contenido en columnas de acrílico, variando la longitud de la columna, tamaño de arcilla y flujo. El equipo experimental se construyó considerando pruebas exploratorias y finales. En las pruebas exploratorias, se encontró el mejor tamaño de partícula de las arcillas, tanto naturales como activadas, para lo que se emplearon empaques de arcilla de 200 gramos, de malla 4-8, 8-14, 14-30, 30-40 y sus mezclas. Considerando los resultados de las pruebas exploratorias, las pruebas finales se realizaron con empaques de arcilla malla 14-30 natural, activado y modificado su estructura utilizando el cloruro de cetilpiridinio. Las dimensiones de las columnas son: 35 cm de altura. La altura de empaque de arcilla es de 28 cm. La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de las columnas. El volumen inicial de lixiviados adicionado a cada columna fue de 50 ml/h. Su seguimiento químico se realizó midiendo antes y después de la columna su valor de pH y su contenido de contaminantes como conductividad eléctrica, CE, y demanda química de oxígeno total, DQOt, tomando en todos los casos el tiempo requerido para colectar 200 mL de cada una de las muestras tratadas. Entrada
Lixiviado
Salida
Figura 1: Diagrama esquemático de la columna empacada con arcilla
RESULTADOS Y DISCUSIÓN El análisis por difracción de Rayos X indicó que el material arcilloso está compuesto de tres arcillas: halloysita, montmorillonita y anorthita, en proporciones similares. De éstas, la montmorillonita (o bentonita) es la que más se emplea para la adsorción. El análisis con el equipo Bet, proporcionado por un centro de investigación cooperante, dio como resultado, entre otras cosas, un diámetro promedio de poro del material arcilloso de 78.71 A, un volumen total de poro de 0.3149 cm3/g., lo que manifiesta la estructura porosa y área superficial interna importante.
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Durante las pruebas exploratorias: se colocaron seis columnas rellenas con las arcillas de los diferentes tamaños de partícula para observar las tasas de adsorción (con los tiempos requeridos), así como los cambios en los lixiviados tratados (color, por ejemplo). Las mallas utilizadas e estas pruebas fueron 8 –14, 14 – 30. Conforme iba transcurriendo el tiempo, se observaron los siguientes cambios: La arcilla activada malla 8-14, al estar en contacto con el lixiviado, permitió una difusión muy lenta que, después de 2 horas, estaba saturada impidiendo el paso del líquido. La arcilla natural malla 8-14 permitió pasar por la columna al lixiviado pero la arcilla se saturó con 100 mL de lixiviado. La arcilla activada malla 14-30 formó una espuma en la parte superior de la columna y se saturó con 250 mL de lixiviado. La arcilla natural malla 14-30 también se saturó con 250 mL de lixiviado. En las pruebas finales con la columna de adsorción se realizaron con malla 14-32 haciendo pasar el lixiviado en serie, primero por una columna de arcilla natural y después por una de arcilla activada obteniéndose un lixiviado tratado con cambios notorios en el color. A continuación se muestran los resultados característicos de las pruebas experimentales para una columna empacada. El tiempo cero corresponde a la muestra de lixiviado sin tratar. Los tiempos subsecuentes son los registrados cada volumen de 20 ml y mostrados en la Tabla 1. La DQO total representa la contaminación orgánica e inorgánica presente en el líquido antes y después de su paso por las columnas. Tabla 1. Resultados característicos de las corridas experimentales con tamaño de arcilla 14-32 en escala de tamices adoptado por la National Bureau of Standards (Tamices Estándar Tyler) Tiempo (s)
0 (Lixiviado original) 86 102 124 148 172
pH del lixiviado en arcilla natural 8.08
pH del lixiviado en arcilla activada N.P.
Conductividad eléctrica del lixiviado en arcilla natural (µmhos) 18,400
Conductividad eléctrica del lixiviado en arcilla activada (µmhos) N.P.
DQO del lixiviado en arcilla natural (ppm)
DQO del lixiviado en arcilla activada (ppm)
3,100
N.P.
6.71 6.76 6.9 6.84 7.32
4.2 4.55 6.45 6.71 7.76
13,700 13,900 14,010 14,750 15,300
34,300 23,700 20,500 19,300 18,800
33 30 27 37 39
11 22 31 39 44
5
9
pH
8 7 6 5
pH (arcilla activada)
4 3
pH (arcilla natural)
2 1 0 0
50
100
150
200
Tiempo (seg)
Figura 1. Resultados de pH para arcilla activada y natural
35000 (micromhos)
Conductividad Eléctrica
40000 30000
Conductividad Eléctrica (arcilla activada)
25000 20000
Conductividad Eléctrica (arcilla natural)
15000 10000 5000 0 0
50
100
150
200
Tiempo (seg)
% Remoción DQO (ppm)
Figura 2. Resultados de conductividad eléctrica para arcilla natural y activada 100 90 80 70 60
% Remoción DQO(arcilla natural, ppm)
50 40 30 20
% Remoción DQO(arcilla activada, ppm)
10 0 0
50
100
150
200
Tiem po (seg)
Figura 3. Resultados para la DQO para arcilla natural y activada
6
Tabla de resultados para el CrIV
TEMPERATURA CTE. A LA QUE SE MANTUVO LA MUESTRA
% DE REMOCION MAXIMO OBTENIDO
5
10ºC.
18.86
5
20ºC
2.99
5
31ºC.
20.66
8
10ºC.
21.58
8
20ºC.
13.13
8
31ºC.
19.50
5
10ºC
95.37
5
20ºC
68.73
5
31ºC.
92.77
8
10ºC.
97.25
8
20ºC.
81.18
8
31ºC.
79.58
5
10ºC
97.68
5
20ºC.
59.02
5
31ºC.
63.80
8
10ºC.
97.97
8
20ºC.
72.05
8
31ºC.
86.82
# DE
pH INICIAL
EXPERIMENTO
DE LA MUESTRA
Experimento 1: Arcilla natural
Experimento 2: Arcilla natural
Experimento 3: Arcilla activada
Experimento 4: Arcilla activada
Experimento 5: Arcilla modificada
Experimento 6: Arcilla modificada
La DQO antes de los experimentos en promedio fue de 3100 ppm el pH de 8.08 y la conductividad de 18400, y después de los experimentos pasaron a valores promedio de 37 para la DQO, 6.87 para el pH y 14300 para la conductividad. Mientras que se tienen reducciones de mas del 90% para el CrIV
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CONCLUSIONES Se encontraron las siguientes conclusiones: • El material arcilloso natural es un adsorbente de buena calidad, que retiene los materiales contaminantes (como DQO) presentes en los lixiviados. Pero se satura muy rápido. • La activación y modificación de materiales arcillosos, incrementa su poder de retención en más del 50%. • El mejor tamaño de arcilla es la malla 14-30 en forma natural, la activación de la arcilla, es un problema si no se lava correctamente, ya que si se deja ácido, éste reacciona con los materiales del lixiviado, produciendo gases de descomposición que impiden la circulación del líquido. • La forma natural para no generar problemas con los RS es tratarlos de una manera adecuada, siguiendo la legislación correspondiente, mas sin embargo, en la actualidad se tienen gran cantidad de tiraderos de residuos que no cumplen con la normatividad vigente, por lo que se requiere remediar los problemas que causan. RECONOCIMIENTOS Los autores agradecen al CIMAV (Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Chihuahua, Chih., México), el uso de su equipo Bet para caracterizar las arcillas estudiadas. A La empresa “Minera mexicana” y la CIC por su apoyo a la investigación. REFERENCIAS Burlon, S. A., Watson-Craik 1998. Ammonia and nitrogen fluxes landfill sites: Applicability to sustainable landfill. Waste Management Research, 16:146. Cortinas, de N.C., 2002 “Contaminación por residuos: prevención y remediación, Talleres Gráficos de la Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión. México D.F. México: 37-131 Dávila, V. A. 1995. El relleno sanitario integral, una alternativa viable de disposición final de los residuos sólidos en el Distrito Federal. Presentado en Foro sobre el servicio de limpia y recolección de basura en el Distrito Federal. DTDS/DGSU/GDF. Marzo de 1995 México D. F. México. DTDS. 2001. Informe mensual de monitoreo ambiental en el relleno sanitario Bordo Poniente Etapa IV. Pub. Dirección Técnica de Desechos Sólidos. DTDS/DGSU/GDF. México D.F. México. Hanashima, M. 1999. Pollution control and stabilization process by semiaerobic landfill type: The Fukuoka Method. Presentado en International Landfill Symposium... Cagliary Italy. Lee, N. T. 1994. Pollutant transformation in landfill layers. Waste Management and Research,
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López, S. F. 1995. Características cualitativas y cuantitativas de los residuos sólidos generados en el Distrito Federal. Presentado en el Foro sobre el servicio de limpia y recolección de basura en el Distrito Federal. Gobierno del Distrito federal. Martínez H. G. 2002. Uso de arcillas naturales y activadas para la remoción de color. Tesis de maestría. IPN-UMSNH, Morelia, Mich. México. Mittal, Atul K., Venkobachar, C. 1993. Sorption and desorption of dyes by sulfonated coal. J. Environ. Eng. 119(.2):1472-1474. Rumer, R. R. , Ryan, M. A. 1993. Barrier Containment Technologies for Environmental Remediation Applications. A project sponsored by E. I. Dupont de Nemours and Company. Kaker, H. 2000. Measuremets of Thin film Thickness in SEM with Backscattered Electrons, Materials and technology, 34, (3-4):157-159. Praunseis, Z., Rak, I., Kaker,H.,1996. Fracture Toughness of Undermatched weld joints Containing soft root passes mede on HSLA steel, The Inyterrational Welding Conference, First Japan-Slovak Welding Symposium, High Tatras Mountains, march, 5-6, Slovakia.
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