UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA CENTRO UNIVERSITARIO DEL SUR CUNSUR ESCUINTLA
INFORME FINAL “Evaluación de tres agentes quelantes, ácido etilendiamino tetracético (EDTA), ácido nitrilo triacético (NTA) y ácido dietilen triamino pentacético (DTPA) como sustitutos de STPP (tripolifosfato de sodio) en los detergentes convencionales”.
T.U Edwin Alfonso Pacheco Rodríguez
Escuintla septiembre de 2008
RESUMEN
Los detergentes son sustancias químicas semejantes al jabón y que por lo tanto bajan la tensión superficial de los líquidos. Desempeñan la acción de limpieza gracias a la baja tensión superficial, penetran en todas las superficies intersticiales de las prendas de vestir y se combinan con los residuos, atrayéndolos hacia la superficie y manteniéndolos en suspensión, teniendo a continuación la necesidad de la remoción de estos residuos. El presente estudio evaluó el desempeño de un detergente y su impacto con el medio ambiente, a través de tres factores consistentes en los agentes quelantes, los cuales fueron evaluados en tres niveles de dosificación, de acuerdo con las fichas técnicas de uso en detergentes, manteniendo constante el tipo de agua, variando únicamente la dosis correspondiente a cada agente quelante y el testigo. Como resultado del estudio se encontró que el mejor desempeño presentado en las tres formulaciones, de los tres agentes analizados corresponde a la dosificación de 10% de EDTA, en una acción mutua con el medio ambiente, es decir que el rendimiento en lavado es alto pero afecta el medio ambiente al generar una demanda de DBO5 = 160 mg/litro según norma coguanor NGO h12 ver anexo cuadro 14 En la parte de servicio en la Unidad Productiva, se realizó una evaluación de los puntos críticos que generan reproceso de detergente en polvo a partir de la torre de secado hasta el área de empaque, a fin de obtener el punto de mayor incidencia en reproceso operando en condiciones normales, llegando a establecer que corresponde al área de zaranda 65% de todo el reproceso
3
INDICE GENERAL
i Resume
....................................................................................
1
ii Índice
....................................................................................
2
iii Introducción
........................................................................
5
iv Justificación
........................................................................
6
v Marco Teórico .........................................................................
7
5.1 Los Detergentes
.....................................................
7
5.2 Fisicoquímica de los detergentes ..................................... 7 5.3 Composición ..................................................................... 8 5.4 Proceso de elaboración .....................................................
9
5.5 Los detergentes y el medio ambiente ................................ 10 5.6 Envasado ............................................................................ 12 5.7 Agentes quelantes .............................................................. 12 5.8 Clases de agentes quelantes ................................................ 15 vi Objetivos
.............................................................................. 17
vii Hipótesis
............................................................................. 18
viii Metodología ...............................................................................
19
ix Análisis y presentación de resultados ............................................. 22 x Conclusiones
............................................................................. 27
xi Recomendaciones ........................................................................... 28 xii Bibliografía xiii Anexos
............................................................................. 29 ..................................................................... 30
4
INDICE GENERAL PLAN DE SERVICIO
i Introducción
.........................................................
35
ii Justificación
…………………………………….
36
iii Objetivos
…………………………………….
37
………………………..
38
4.1 Metodología ………………………………
38
iv Actividades a desarrollar
v Recursos
………………………………………
39
vi Resultados
………………………………………..
40
6.1 Sigma de reproceso…………………………….
40
6.1.1 Sigma de adición ……………………..
51
6.1.2 Sigma de condiciones de operación…….
51
………..
51
6.1.3 Sigma de paros y arranques
vii Conclusiones ……………………………………….
53
…………………………………
54
viii Recomendaciones ix Bibliografía
…………………………………………
55
x Anexos
………………………………………….
56
5
INDICE DE CUADROS, GRAFICAS Y FIGURAS Cuadros
Cuadro 1: Dosificación de quelantes …………………… Cuadro 2: Comparación de medias Dosificación………... Cuadro 3: determinación de la eficiencia secuestrante…... Cuadro 4: Análisis de varianza poder secuestrante……… Cuadro 5: Análisis de medias poder secuestrante………. Cuadro 6: Incidencia agentes quelantes…………………. Cuadro 7: Análisis de varianza poder detersivo………… Cuadro 8: Análisis de medias poder detersivo………….. Cuadro 9: Incidencia dosificación análisis DBO5………. Cuadro 10: Análisis de varianza dosificación……………. Cuadro 11: Análisis de medias dosificación……………… Cuadro 12: Muestreo en las pruebas de detergente……….. Cuadro 13: Descarga residual de agua norma COGUANOR Cuadro 14: Agua residual lavandería norma COGUANOR... Cuadro 15: Control de finos y gruesos…………………….. Cuadro 16: Control de finos………………………………… Cuadro 17: Control de gruesos………………………………
19 21 22 22 23 24 24 24 25 25 26 32 32 33 46 46 46
Figuras Figura 1: Simbología del reciclaje…………………………. Figura 2: Función iónica de los quelantes…………………. Figura 3: Complejo EDTA……………………………….... Figura 4: Complejo DTPA…………………………………... Figura 5: Complejo NTA…………………………………... Figura 6: Dibujo botella usada análisis DBO5………………………. Figura 7: Puntos Críticos de muestreo………..……………..
12 13 15 15 16 30 41
Gráficas Gráfica 1: Control de reproceso…………………………….. Gráfica 2: Reproceso torre de detergente……………………
6
48 49
III INTRODUCCION
Los detergentes son compuestos formados por varios elementos, como lo son las sales de sulfato, acido sulfónico, suavizadores de agua y enzimas entre otros. Todos estos elementos combinados son capaces de crear una acción limpiadora sobre una superficie o material sucio en un baño líquido en el que se disuelven uno a varios solutos (detergentes) que ayudan a la limpieza.
En el presente estudio se evaluaron los compuestos químicos conocidos como quelantes en sustitución del Tripolifosfato de sodio, y así contar con un agente alterno con mejores características.
El estudio ha demostrado que
efectivamente los agentes quelantes tienen un mejor desempeño en la efectividad, específicamente cuando se utiliza el ácido etilendiaminotetracético. Pero este último aumenta el nivel de DBO en las aguas residuales.
En cuanto al servicio a través del estudio de los puntos críticos que generan reproceso de detergente a partir de la torre de secado hasta el área de empaque, se logró cuantificar que en su mayoría (65%) corresponde al generado en el área de zaranda, por lo tanto se hace la recomendación de que durante el secado las condiciones de operación se validen nuevamente, ya que ocurren problemas, bien sea por mala aspersión del detergente o por aglutinamiento de granos.
Por lo anterior, se invita al lector a adentrarse a los detalles de dichos trabajos que se presentan a continuación.
7
IV. JUSTIFICACION
Los procesos de elaboración de detergente en la actualidad involucran todos los sistemas de mantenimiento ambiental y se hace necesario que en el futuro sean mas ecológicos haciéndolos
menos tóxicos
para el medio
ambiente.
El problema que presenta actualmente la unidad productiva al utilizar TPP en su formulación de detergente en polvo es, que frente a la competencia en los diversos segmentos del mercado, presenta problemas de desempeño en el lavado, además de ello se adhieren los problemas de tipo ambiental que representa esta materia prima.
Por tal razón se justifica la presente investigación al evaluar un posible sustituto del TPP por algún agente quelante que presente mejor desempeño en el producto terminado y consecuentemente amigable con el medio ambiente, cuyo impacto, se refleja en el ambiente agroindustrial, al generar tecnologías limpias. Y en el ámbito educativo al propiciar estudios científico técnicos que retroalimenten el proceso de enseñanza aprendizaje en la carrera de Ingeniería Agroindustrial del Centro Universitario del Sur.
8
V MARCO TEÓRICO
5.1 Los detergentes. El jabón era conocido por la mayoría de culturas antiguas, que lo usaban tanto para el cuerpo como para la ropa. Lo hacían con agua, grasas vegetales o animales, y cenizas vegetales o sustancias minerales como la sosa cáustica. A partir del siglo II, varias ciudades fueron centros productivos importantes de jabón, y lo distribuían por toda el área mediterránea.
Hasta el siglo XV, uno de los principales núcleos de vida social en las ciudades eran los baños públicos. Después, éstos fueron considerados inmorales, y el jabón pasó a ser algo a evitar. Se vestía la misma ropa durante semanas, y los malos olores se tapaban con perfumes. No se volvió a apreciar el jabón hasta entrado el siglo XVIII, cuando los médicos se dieron cuenta de la importancia de la higiene para la salud. Además, la industrialización y las importaciones de grasas baratas de las colonias facilitaron la fabricación de jabones a gran escala.
5.2 Fisicoquímica de los detergentes. En latín, detergere quiere decir limpiar. Un detergente es una sustancia que limpia, gracias a tener estas dos propiedades: • Reduce la tensión superficial del agua, de manera que las moléculas de agua no se sienten tan atraídas mutuamente, y pueden penetrar mejor en la superficie a limpiar (por ejemplo un tejido) • Las moléculas del detergente tienen un polo lipófilo, que combina bien con las grasas, y un polo hidrófilo, que combina bien con el agua. La suciedad – que está adherida a los tejidos mediante partículas oleosas – atrae a los polos lipófilos, y los polos hidrófilos quedan dispuestos hacia fuera y rodeando la suciedad, de forma que el agua arrastra todo el conjunto.
9
El jabón tiene estas dos propiedades, y por lo tanto es un detergente. A partir de 1930 se empezaron a sintetizar sustancias detergentes derivadas del petróleo. Después se descubrieron otros ingredientes que, añadidos a las sustancias detergentes, daban al conjunto una mayor capacidad limpiadora. Hoy, cuando decimos detergente nos referimos a todo el conjunto.
5.3. Composición. Las componentes principales de los detergentes actuales son las siguientes: 5.3.1 Tensioactivos o surfactantes: son la sustancia detergente propiamente dicha. Según las propiedades químicas, se clasifican en aniónicos, catiónicos, no iónicos y anfóteros (cada tipo tiene propiedades limpiadoras diferentes). 5.3.2 Potenciadores o constructores: retienen el calcio y el magnesio que pueda haber en el agua, y evitan que la suciedad se vuelva a depositar en el tejido. Se dice que el agua es dura si contiene mucho calcio o magnesio. 5.3.3 Enzimas: rompen las moléculas de las manchas proteínicas (huevo, leche, sangre), permitiendo ser arrastradas por el agua durante el lavado. 5.3.4 Blanqueadores: dejan la ropa más blanca y eliminan las manchas más difíciles. 5.3.5 Abrillantadores ópticos: son sustancias fluorescentes que no se van al aclarar la ropa. Reflejan los rayos ultravioletas del sol, de manera que la ropa parece más blanca de lo que es (de hecho, le dan un tono azulado o verdoso, según la marca). En la ropa de color, los colores quedan más vivos. 5.3.6 Perfumes: dan olor a la ropa. 5.3.7 Relleno: no tiene ninguna función limpiadora, sólo se agrega para aumentar el volumen del detergente. Dependiendo de la fórmula, puede representar desde un 5% hasta un 45% del total de materia. Los detergentes concentrados no lo llevan.
10
5.4 Proceso de elaboración La fabricación industrial de detergentes es un proceso relativamente sencillo. Las materias primas se mezclan con agua hasta que forman una pasta. Después se hace la atomización, que consiste en transformar la pasta en polvo: la pasta pasa por un tubo a presión y entra en una gran torre, donde es "rociada" con aire caliente a contracorriente. El aire evapora el agua de la pasta y se forma el polvo (es más o menos fino según la presión con la que ha salido del tubo y el diámetro de los orificios del "rociador"). Algunos de los ingredientes, que no pueden resistir la temperatura del aire caliente o la humedad, se añaden al polvo obtenido después de la atomización. A continuación, el polvo se revuelve en un tambor giratorio, para obtener una mezcla homogénea. Finalmente, pasa por un cedazo que separa las partículas demasiado finas o gruesas.
Las fábricas deben estar bien equipadas con aspiradores, porque el polvo puede provocar problemas de alergia o asma a los trabajadores. Se debe poner atención sobre todo en la parte donde se manipulan las enzimas, ya que éstas son especialmente peligrosas para el sistema respiratorio. 5.4.1 Los residuos
Una fábrica de detergentes no genera muchos residuos (no ocurre lo mismo en la producción de las materias primas). Del atomizador sale (además del detergente) vapor de agua, que se libera a la atmósfera, y polvo fino de detergente. Este polvo se filtra y se reintroduce al inicio del proceso, como también el detergente demasiado fino o grueso que se obtiene de los filtros (granza). La maquinaria se limpia con agua, que también se puede reutilizar llevándola al inicio del proceso.
5.5 Los detergentes y el medio ambiente Los
detergentes
se
han
asociado
desde
siempre
con
problemas
medioambientales. Ya antes de que aparecieran los sintéticos, el jabón tenía el problema de que, en aguas muy duras, se combina con el calcio y deja una 11
película insoluble en la superficie del agua. En la década de 1960 se introdujeron leyes para limitar la gran cantidad de espuma que generaban los detergentes sintéticos. Los aspectos que se deben tener en cuenta desde un punto de vista medioambiental son los siguientes: 5.5.1 Biodegradabilidad Según la legislación vigente, en un paquete de detergente se puede poner la palabra "biodegradable" si el tensioactivo deja de tener un 90% de su propiedad de disminuir la tensión superficial del agua 28 días después de ser vertido al agua (las sustancias tensioactivas causan perjuicios a la vida acuática). Según los fabricantes ecológicos, este grado de biodegradabilidad no es suficiente. Por otro lado, la ley no dice nada del resto de ingredientes, que pueden llegar a significar un 80% del detergente. En los detergentes convencionales, estos ingredientes no son biodegradables y son tóxicos para la vida acuática (en especial los derivados del petróleo). A pesar de la proliferación de depuradoras, en las aguas marinas se hallan residuos tóxicos de detergentes. 5.5.2 Eutrofización En general, muchos detergentes convencionales utilizan fosfatos, fosfonatos o percarboxilatos
como
potenciadores.
Estas
sustancias
actúan
como
fertilizantes de las algas, haciendo que se reproduzcan muy deprisa. La gran cantidad de algas agota el oxígeno del agua, que deja de estar disponible para la fauna acuática (microorganismos y peces), y genera malos olores. Este fenómeno se llama eutrofización, y ha causado desequilibrios muy graves en varios lagos y ríos. En la mayoría de países europeos y en buena parte de Norteamérica ya está prohibido utilizar estos ingredientes (en algunos lugares desde 1970), pero en gran parte de los países de Latinoamérica aún no. El sustituto más utilizado son las zeolitas, unas sustancias minerales. Tienen el inconveniente de que no son solubles en el agua, por lo que se acumulan en el fondo de las plantas depuradoras.
12
5.5.3 Blanqueadores Pueden estar basados en cloro o en oxígeno. Uno de los principales problemas de la industria del cloro es que genera sustancias organocloradas, como dioxinas y furanos, que causan muchos problemas de salud (disfunciones hormonales, malformaciones en el feto, cáncer) y se acumulan en los tejidos de los seres vivos (no se pueden metabolizar). Actualmente casi no se usan blanqueadores de este tipo para detergentes. Entre los basados en oxígeno, están el perborato y el percarbonato. El perborato tiene el inconveniente de que libera boro al medio (es tóxico para la vida acuática), y que se debe acompañar de una sustancia, el TAED, que se combina con los metales pesados que hay en los fondos fluviales o marinos y los introduce en la cadena trófica. Además, se debe lavar al menos a 60ºC para que haga efecto. El percarbonato blanquea a cualquier temperatura y no libera ninguna sustancia tóxica. 5.5.4 Antibacterias Últimamente,
muchos
detergentes
(convencionales)
contienen
agentes
antibacterias. No tienen ninguna utilidad práctica, y en cambio pueden causar problemas a la vida bacteriana acuática. Como los fabricantes mantienen las formulaciones en secreto, es muy difícil saber qué agentes antibacterias utilizan. Hay un acuerdo industrial para no utilizar triclosan, una sustancia muy problemática. 5.6 Envasado Las cajas de cartón suelen ser de cartón reciclado, al menos en parte, y son reciclables. Se pueden tirar al contenedor para papel, aunque tengan restos de detergente. Últimamente existe la tendencia de presentar los detergentes (convencionales) en bolsas de plástico. Tienen el inconveniente de que para transportarlas se necesita un segundo empaquetado. Por otro lado, pocos fabricantes indican de qué plásticos está hecho el envase, con lo que no se puede saber si es reciclable o no. Lo más habitual es usar varios tipos de plástico que no se pueden separar posteriormente, y por lo tanto tampoco se pueden reciclar. Esta mezcla de plásticos se puede indicar en el envase con el símbolo que vemos abajo.
13
FIGURA 1
Identifica el PET
identifica varios plásticos
Fuente: wikipedia (en linea) *1
Las botellas de detergente líquido suelen ser de plástico PET, que es bastante ligero y fácilmente reciclable. Los envases de PET se podrían reutilizar devolviéndolos al fabricante.
5.7 Agentes quelantes: consideraciones generales El término quelante deriva del griego "kelos" (pinza) y se aplica la formación de complejos cíclicos. Cuando un ión metálico se combina con una sustancia que posee un átomo donor de electrones el compuesto obtenido se denomina "complejo" o "complejo de coordinación". Si la sustancia que se combina con el ión metálico posee dos ó más átomos que ceden
electrones, de modo que se puedan
formar dos o más ciclos se obtiene un quelato, y la sustancia que aporta los electrones se denomina agente quelante Se puede representar un complejo metálico como: *1 www.wikipedia//reciclajemediamabiente.com consultado 9 nov 2008
Figura 2
14
Fuente: wikipedia//usodequelantes.com en linea *2 consultado 8 de nov 2008
Así, la diferencia entre un agente complejante y un agente quelante reside esencialmente en una diferencia de estructura. La formación de ciclos en los quelatos metálicos produce nuevas sustancias
de
muy
elevada
estabilidad,
dejando
concentraciones
extremadamente bajas del catión metálico libre en equilibrio. Se puede así "enmascarar" la presencia de iones metálicos sin necesidad de extraerlos del medio o aprovechar las propiedades especiales de los quelatos formados. La importancia tecnológica de su utilización deriva de la presencia universal de los iones metálicos en todas las sustancias. Si se toma como ejemplo el agua corriente, el solvente mas ampliamente utilizado en la industria, aún la más pura contiene dosis apreciables de sales disueltas: Cloruros, Sulfatos, Fosfatos, Carbonatos, etc. con iones metálicos como calcio, magnesio, hierro, cobre, manganeso, cinc, etc. En agua para uso alimenticio (potable) estas trazas metálicas apropiadamente dosificadas constituyen una ventaja: es el caso del agua mineral. Por el contrario estas mismas trazas de iones metálicos constituyen graves inconvenientes para su utilización industrial: Sales de calcio y magnesio precipitan en agua caliente con formación de sarro (calderas, intercambiadores de calor, etc.) trazas de iones hierro, cobre o magnesio pueden hacer virar los matices de las tinturas. Trazas de metales pesados provocan la descomposición catalítica de peróxidos (inorgánicos, orgánicos, agua oxigenada, etc.) sales que confieren 15
dureza al agua forman con los jabones compuestos calcáreos insolubles, reduciendo su poder detergente. Trazas de calcio o magnesio conducen a defectos irreversibles en baños reveladores y fijadores de películas y papeles fotográficos, trazas de cobre o hierro catalizan la oxidación de ácidos grasos y vitaminas en alimentos, trazas metálicas son suficientes para modificar las características reológicas de las emulsiones, por ejemplo las de polímeros, aunque muy limitados estos ejemplos hacen evidente la influencia desfavorable de los iones metálicos que contiene el agua. Es posible,
evidentemente,
extraer por vía
química
las
sales
interferentes, aunque en muchos casos suponen operaciones onerosas (en reactivos o equipos), Las instalaciones de floculación o decantación, a base de sulfato de aluminio o compuestos orgánicos, permiten reducir la presencia de impurezas no disueltas pero dispersas en el agua. Las instalaciones de intercambio iónico (ablandadores de agua) permiten un canje de iones y reducir en parte o totalmente el tenor de calcio y magnesio en aguas industriales. Sin embargo la forma más económica y efectiva de controlar permanentemente la presencia de trazas metálicas en productos industriales consiste en tratarlas con agentes que inhiban totalmente la acción de los iones metálicos sin suprimir su presencia: la formación de Quelatos. Los quelatos y las reacciones de quelación están ampliamente distribuidos en la naturaleza: desde los delicadamente balanceados procesos vitales, dependientes de solo trazas de iones metálicos, a los quelatos extremadamente estables en petróleos crudos, resultados de procesos en escala de tiempo geológica.
5.8 Clases de agentes quelantes Pueden dividirse en dos tipos de sustancias: orgánicas e inorgánicas.
Dentro de los quelantes orgánicos ocupan un lugar preponderante los compuestos poliaminocarboxilicos, principalmente las sales de EDTA, DTPA y NTA, y en menor grado el HEDTA (Ácido N hidroxietilendiamino triacetico) 16
DPTA
(Ácido
diaminopropanol
tetraacético)
y
DHEG
(N.N.
di
2
hidroxietilglicina). Los secuestrantes inorgánicos comprenden principalmente a los polifosfatos de los cuales el mas ampliamente utilizado es el tripolifosfato, con menor uso de fosfatos piro-fosfóricos, hexametafosfóricos, tetrapolifosfóricos, etc. Los quelantes poliaminocarboxlicos mas utilizados son comúnmente designados por sus nombres abreviados (siglas); estas corresponden químicamente a: Figura 3
Fuente: www.scale.org consultado 10 nov. 2008 Figura 4
Fuente: www.scale.org consultado 10 nov. 2008 Figura 5
17
Fuente: www.scale.org consultado 10 nov. 2008
Si se comparan las propiedades de los quelantes paliaminocarboxilicos (EDTA, DTPA, NTA, etc.) con los de los secuestrantes inorgánicos (polifosfatos), presentan las siguientes ventajas: Los
quelatos
paliaminocarboxilicos
son
estables
a
elevadas
temperaturas en solución acuosa, mientras que los polifosfatos se hidrolizan fácilmente con el aumento de temperatura y la presencia de iones metálicos pesados, que actúan coma catalizadores. Así por ejemplo luego de un calentamiento de 3 horas a 100 °C de una solución al 2% de tripolifosfato cálcico-magnesio se hidrolizó a: metafosfatos 45%, pirofosfatos 2% y tripolifosfatos 18%. La adición de EDTA o DTPA a los fosfatos polimerizados retarda la hidrólisis por quelación de los metales pesados. *3 Los secuestrantes poliaminocarboxilicos actúan sobre casi todos los iones metálicos, mientras los polifosfatos se limitan a Calcio y Magnesio. Las cantidades requeridas de quelantes poliaminocarboxilicos: son de 3 a 6 veces menores a la de los polifosfatos, debido a la diferencia en pesos moleculares. Comparativamente
a
los
polifosfatos,
los
secuestrantes
poliaminocarboxilicos tienen mayor compatibilidad con los sistemas orgánicos (soluciones hidroalcoholicas, solventes, emulsiones, etc.), especialmente las sales de aminas superiores.**12.7 * 3 www.rinconciencia.com en línea consultado 10 nov. 2008
18
VI.
OBJETIVOS.
6.1 General
Evaluar la eficiencia de tres quelantes ácido etilendiamino tetracético (EDTA), ácido nitrilo triacético (NTA), ácido dietilen triamino pentaacético (DTPA) como sustitutos de tripolifosfato de sodio (STPP) en los detergentes convencionales.
6.2 Específicos
6.2.1 Establecer la eficiencia secuestrante de las sales minerales en el agua por el efecto de los agentes quelantes: ácido etilendiamino tetracético (EDTA), ácido nitrilo triacético (NTA), y ácido dietilen triamino pentacético (DTPA).
6.2.2 Evaluar el poder detersivo de los detergentes reformulados.
6.2.3 Evaluar el agua de lavado de las formulaciones con agentes quelantes, por
medio de los análisis DBO5 para establecer el grado de
biodegradabilidad.
19
VII.
HIPÓTESIS
7.1 Hipótesis científica
El aumento en la concentración de un agente quelante en base a la formulación de detergente en el agua, disminuye la concentración de sales minerales en el agua .
7.2 Hipótesis estadística
HO. La dosificación de EDTA, NTA Y DTPA no difiere significativamente en cuanto a la disminución de sales minerales en el agua de lavado
HA. La dosificación de EDTA, NTA Y DTPA
difiere significativamente en
cuanto a la disminución de sales minerales en el agua de lavado A un nivel de significancia de 0.05.
20
VIII METODOLOGÍA 8.1 Lugar de investigación El presente estudio fue realizado en una unidad productiva de jabones y detergentes específicamente en el área de producción de detergentes donde se realizó el trabajo experimental y parte de los análisis físico químicos, paralelo a ello se utilizó el laboratorio instrumental del Centro Universitario del Sur CUNSUR, de la universidad de San Carlos de Guatemala, ubicado en la cabecera municipal de Escuintla en el departamento de Escuintla 8.2 Manejo del experimento El desarrollo del experimento comprende las siguientes fases: Selección de los agentes quelantes (EDTA NTA y DTPA), como factores de comparación con el testigo actual, tripolifosfato de sodio (TPP) utilizado en la formulación actual de un detergente en polvo. Cuadro 1: dosificación de quelantes en la formulación de detergente en polvo Porcentajes a dosificar en formulación Quelante
3%
7%
10%
EDTA
*
*
*
NTA
*
*
*
DTPA
*
*
*
STPP
*
*
*
FUENTE: elaboración propia, EPS mayo de 2009.
Referencias: EDTA = acido etilendiamino tetracético NTA = ácido nitrilo triacético DTPA = ácido dietilen triamino pentaacético
21
Estadísticamente se establece a través de un análisis de varianza cual de los factores evaluados (EDTA, NTA, DTPA,) presenta mejores rendimientos comparado con el testigo (TPP) ver cuadro 6, donde se establecen las condiciones de operación del método para evaluación del poder detersivo manteniendo fijos: la temperatura del agua del lavado, ciclos del lavado, y el tiempo de lavado para determinar el poder detersivo, así mismo el cuadro 9 se presentan las condiciones operacionales para la determinación de la demanda bioquímica de oxigeno (DBO5) 8.3 Métodos de investigación 8.3.1 Modelo estadístico Se utilizó un sistema de bloques completamente al azar, tal como lo muestra el cuadro 1, donde los elementos a bloquear son las concentraciones de los agentes quelantes, respecto del testigo, para lo cual el modelo estadístico a seguir es el siguiente:
Yij i i ij Yijk = Media general alrededor de la cual oscilan los valores de todas las observaciones
βi = Efecto de la dosis de quelante A βi = Efecto de la dosis de quelante B βi = Efecto de la dosis de quelante C Donde: Yij = valor de la característica en estudio.
µ
=
media general alrededor de la cual oscilan los valores de todas las
observaciones
זּi = efecto de la dosis o porcentajes de dosificación βi = Efecto del tipo de quelante A, B, C. en comparación con el testigo STPP εij = Componente del error aleatorio. 8.3.2 Comparación de medias
22
Se realizó una comparación de medias utilizando la prueba de tukey, para la cual se procedió a calcular la diferencia significativa (DSH) mediante la siguiente relación que se presenta en el cuadro 2, tanto para factores como interacciones:
LSD q ; , n CME / prs Cuadro 2 Comparación de medias Factores principales
LSD q , n CME / prs Fuente: Diseños experimentales Montgomery Pág. 72 (1991) Referencias qα; זּ: Es el valor tabulado del rango estandarizado al nivel de significancia de la prueba α de 0.05 para comparar t medias de tratamientos con “n” grados de libertad de error experimental. CME: cuadrado medio del error p: Niveles de los factores s: tratamientos r: repeticiones
23
IX Presentación y discusión de resultados 9.1 Evaluación de los agentes quelantes Inicialmente se hizo la evaluación de los agentes quelantes con respecto a la eficiencia secuestrante de las sales minerales formadoras de dureza. En el cuadro 3 se presenta eficiencia secuestrante y el cuadro 4 el análisis de varianza. Cuadro 3: Determinación de la eficiencia secuestrante de los agentes quelantes
Porcentajes a dosificar en formulación Quelante
3%
7%
10%
EDTA
19 ppm
14 ppm
10 ppm
NTA
25 ppm
18 ppm
12 ppm
DTPA
28 ppm
21 ppm
16 ppm
STPP
42 ppm
30 ppm
18 ppm
Fuente: elaboración propia. Febrero 2009 (datos expresado en ppm) Cuadro 4: Análisis de varianza de la eficiencia del poder secuestrante Fv
G.L
SS
MS
Fc
fa tab
Tratamientos
3
398,92
132,97
12,31
4,066181
Bloques
2
421,17
210,58
19,49
Error
6
64,83
10,81
Total
11
884,92
Fuente: Elaboración propia febrero 2009
Como puede observarse en el cuadro 4 el análisis de varianza demuestra que aun nivel de significancia de α= 0.05 existe diferencia significativa en los tratamientos a diferentes concentraciones.
La eficiencia secuestrante de los agentes quelantes está atribuida al ácido Etilendiamintetratcético (EDTA) a una concentración del 10%, estableciendo un valor de 10 ppm en concentración de sales en el agua.
24
9.2 Prueba de medias de Dunnett
W qtrat, gl ,
2CME n
W: Comparador Tukey
q = Valor de las tablas de Tukey que depende del número de tratamientos Trat. = tratamientos gl = grados de libertad del error α = nivel de significacia alfa CME = cuadrado medio del error n = número de repeticiones Utilizando el estadístico de dunnett podemos decir: d (0.05) (3,6) = 3.10
W d 0.05( 3, 6 )
2CM E 2(12.31) 3.10 * 8.87 n 3
Cuadro 5: Análisis de medias 1 vs. 4
Y1
-
y4
=
15,67
2 vs. 4
Y2
-
Y4
=
11,67
=
8,33
3 vs. 4 Y3 Y4 Fuente: elaboración propia febrero 2009
Como puede observarse en el cuadro 5 el análisis de medias demuestra que a un nivel de significancia de α= 0.05 existe diferencia significativa en los tratamientos a diferentes concentraciones. No obstante no existe variabilidad entre la formulación 3 y 4 que es la muestra testigo 25
Cuadro 6: Incidencia de los agentes quelantes en el poder detersivo Porcentajes a dosificar en formulación Quelante
3%
7%
10%
EDTA
72%
92%
94%
NTA
68%
80%
84%
DTPA
68%
79%
82%
STPP
65%
72%
80%
Fuente: elaboración propia. febrero 2009, poder detersivo: (factor de blancura) Cuadro 7: Análisis de varianza para el poder detersivo Fv
G.L
Tratamientos Bloques Error Total
SS
MS
3 2 6
364.25 652.17 74.50
11
1090.92
Fc
121.42 326.08 12.42
Fa tab 9.78 4.066181
Fuente: elaboración propia. febrero 2009 Como puede observarse en el cuadro 7 el análisis de varianza demuestra que a un nivel de significancia de α= 0.05 existe diferencia significativa en los tratamientos a diferentes concentraciones.
W d 0.05( 3, 6 )
2CM E 2(9.78) 3.10 * 7.91 n 3
Cuadro 8 Análisis de medias 1 vs. 4
Y1
-
Y4
=
15,00
2 vs. 4
Y2
-
Y4
=
5,33
3 vs. 4
Y3
-
Y4
=
4,00
Fuente: elaboración propia Febrero: 2009 En consecuencia el análisis de medias indica que las diferencias se están presentando a causa de la media uno que representa el EDTA con respecto a la muestra testigo STPP no obstante no hay diferencia entre 2 y 4, 3 y 4 respectivamente
26
9.3 Porcentaje de dosificación de agente quelante El análisis de resultados por el sistema de bloques completamente al azar generado por la variable de dosificación de agente quelante, en el efecto análisis de DBO5 Cuadro 9 incidencia de la dosificación en el análisis de DBO5 Porcentajes a dosificar en formulación Quelante
3%
7%
10%
EDTA
141 mg/L
148 mg/L
160 mg/L
NTA
140 mg/L
142 mg/L
148 mg/L
DTPA
140 mg/L
144 mg/L
151 mg/L
STPP
138 mg/L
141 mg/L
148 mg/L
Fuente: Elaboración propia: marzo 2009 (datos expresados en mg/L) Ver norma coguanor NGO h12
Cuadro 10 Análisis de varianza Fv
G.L
SS
MS
Fc
Tratamientos
3
94,92
31,64
Bloques
2
298,67
149,33
Error
6
35,33
5,89
fa tab 5,37 4,066181
Fuente: Elaboración propia: marzo 2009
Como se observa en el cuadro 10 el análisis de varianza demuestra que a un nivel de significancia de α= 0.05 existe diferencia significativa en los tratamientos y se hace necesario evaluar las medias
27
9.4 Prueba de medias de Dunnett
W qtrat ,gl ,
W d 0.05( 3, 6 )
2MS E n
2msE 2(5.37) 3.10 * 5.86 n 3
Cuadro 11: análisis de medias 1 vs. 4
Y1
-
y4
=
7,33
2 vs. 4
Y2
-
Y4
=
1,00
=
2,67
3 vs. 4 Y3 Y4 Fuente elaboración propia: Marzo de 2009
En consecuencia el análisis de medias indica que existen diferencias entre el EDTA y el STPP en la carga orgánica liberada en el agua. No obstante los demás quelantes no presentaron diferencia estadística.
Si existe diferencia significativa en los agentes quelantes evaluados con respecto al Tripolifosfato de Sodio (STPP) específicamente en la carga orgánica donde Acido Etilendiamintetracético (EDTA) obtiene 160 mg/litro de efectividad cuando su concentración en la formulación del detergente corresponde al 10%
28
X CONCLUSIONES.
10.1 El mejor desempeño de la eficiencia secuestrante de los agentes quelantes evaluados en el presente estudio, está atribuida a la dosificación del 10% ácido Etilendiaminotetracético (EDTA).
10.2 Si existe diferencia significativa en el poder detersivo de los agentes quelantes evaluados con respecto al Tripolifosfato de Sodio (STPP) cuando la solución es llevada al 7 y 10%.
10.3 La formulación evaluada de EDTA, es la que liberó un volumen mayor de carga orgánica en el agua de lavado, dando un resultado de 160 mg por litro de agua evaluado al 10% .
29
XI RECOMENDACIONES
11.1 Evaluar el uso del agua de lavado de detergentes formulados con STPP como sustrato para alimentar plantas de jardín y grama para canchas de fútbol
11.2 Evaluar una metodología para establecer las trazas de quelantes residuales y su efecto en los matos de agua.
30
XII BIBLIOGRAFÍA 12.1 American Society for Testing and materials (ASTM) Manual de aguas tercera edición México. Editorial Limusa Pg. 35, 38, 47
12.2 Comisión guatemalteca de normas COGUANOR (2000) NGO 29001, agua potable, especificaciones
12.3 Comisión guatemalteca de normas COGUANOR (1985) NGO 29011 h3 determinación de constituyentes inorgánicos no metálicos
12.4 Montgomery D.C (1991) Diseño y analisis de experimentos. México Editorial Iberoamericana Pg. 119 -127 del capitulo 5 pp 178
12.5 Scentia: capitulo 3 Detergentes mas utilizados en la actualidad, detergentes iónicos
tercera edición Editorial Océano. Colombia pag.
120 - 121
REFERENCIAS ELECTRÓNICAS 12.6 www.wikipedia//usodequelantes.com en linea *2 consultado 8 de nov 2008
12.7 www.rinconciencia.com en linea *3 consultado el 10 de nov. 2008
12.8 www.gobiernodechliegestionsalud.com en linea * 4 consultado 10 nov. 2008
12.9 Microsoft C (2008) Enciclopedia de consulta encarta 2010 31
XIII ANEXOS
Figura 6: Botella respiromĂŠtrica
32
Tabla No. 1 PROPIEDADES DE LOS AGENTES QUELANTES
Fuente wikipedia//usodequelantes.com en linea *2 consultado 8 de nov 2008
33
Cuadro 12: Muestreo de los detergentes en relación al porcentaje de pasta
Fuente: elaboración propia
Descargas de agua residual industrial. Se establecen los siguientes límites máximos para efluentes líquidos a ser descargados directa o indirectamente en los cuerpos de aguas superficiales (ríos, estuarios, lagos y embalses), el subsuelo y en aguas costeras. Se labora en la inclusión próxima de nuevas industrias.
Cuadro 13: Descarga de agua residual Descarga industrias varias. Parámetro Demanda biológica de oxígeno (DBO5) Demanda química de oxígeno (DQO) Nitrógeno del Amonio (N-NH4) Nitrógeno total (N tot) Fósforo total (P tot) pH
Licoreras superf. y subsuelo
Cárnicas
agua. costera
superf. y subsuelo
costera
35 130 12
70 300 30
35 130 12
70 300 30
20 3 6.5-9.0
50 8 7.5-8.5
20 3 6.5-9.0
50 8 7.5-8.5
Fuente: norma coguanor: NGO h12
34
Cerveceras superf. subsuelo
Pegamentos
costa
superf. Sub.
35 130 12
70 300 30
35 130 12
70 300 30
20 3 6.5-9.0
50 8 7.5
30 3 6.5-9.0
50 8 7.5
costa
Descargas de agua residual de lavanderías.
Las descargas de las lavanderías serán regidas por los parámetros de control incluidos en la siguiente tabla, para las descargas de sus efluentes a ser vertidas en los diferentes cuerpos hídricos. Cuadro 14: Agua residual de lavandería superf. y subsuelo (mg/L) 35 130 23, 3 0.10 0.50 0.51 0.1 0.1 0.05 2 20 2
Descarga de lavanderías. Parámetro Demanda biológica de oxígeno (DBO5) Demanda química de oxígeno (DQO) Nitrógeno total (N tot) fósforo total (P tot) Arsénico (As) Cobre cromo (Cr) Niquel (Ni) Plomo (Pb) Cadmio (Cd) Mercurio (Hg) Zinc Compuestos orgánicos totales compuestos Organo-halogenados Compuestos organo-halogenados en: Lavanderias de hospitales (g/t) - Lav. industriales de carne y pescado (g/t)
18 40 grm/lt
Fuente: norma coguanor: NGO h12
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Agua. Costera (mg/L) 70 300 50, 8 0.1 0.5 0.2 0.1 0.1 0.05 2 20 2
18 40 grm/lt
Alcantarillado . (mg/L) 350 900 40, 10 0.5 0.2 0.2 0.1 0.2 0.05 10 20 2
18 40 grm/lt