Evaluación de carbón animal para la remoción de flúor en las aguas subterráneas de la comunidad Guarataro, Estado Yaracuy
Ponente: Ing. Roberto González
Noviembre, 2014
El flúor como agente contaminante Concentración de flúor (mg/l)
Efecto generado Fuente de contaminación ( Naturales y Antropogénicas)
B
1,0
Reducción del 66% en caries dentales
2,0
Fluorosis dental
Fuentes de A suministro en 6,0 el organismo 50 100 125 Normativas E para el control 32en a 64 de masa corporal losmg/kg niveles de flúor .
C
Efectos en el Lesiones en el sistema óseo organismo Alteraciones en tiroides Retraso en el crecimiento Alteraciones renales
D
Regiones con Dosis letal de NaF altos niveles de flúor
El flĂşor como agente contaminante G.O.V 36.395. Normas Sanitarias para la Calidad de aguas de Suministro Valores lĂmites recomendables para el contenido de fluoruro en mg/l
Descripción del Problema Comunidad afectada: Sector Guarataro Alto contenido de flúor en sus aguas, alrededor de 4.54 ppm. Más del 90% de la población presenta fluorosis dental. Poca disponibilidad de fuentes de agua. En base a la G.O.V 36.395, se decretó el cierre de tres pozos de agua en el sector. Actualmente, disponen de un sistema de almacenamiento de agua, proveniente del sector El Guarapo.
Antecedentes México y Argentina poseen gran conocimiento en base a la remoción de flúor, debido a su hidrología subterránea
Aporte de tecnologías sustentables Pineda (2000)
Eliminación de Fluoruros utilizando Hidroxiapatita
Godoy (2000) Aplicación de medios filtrantes para la reducción de fluoruro en aguas de consumo
Morales (2008) Reducción de flúor en aguas, utilizando mucilago de nopal y hueso molido en reactores de mezcla completa.
Tecnologías aplicadas para la remoción de flúor
B Ablandamiento con cal
Coagulación con Sulfato de Aluminio y otros coagulantes aluminizados.
A
C
Resinas por intercambio iónico.
Tecnologías Remoción por Adsorción: Alúmina activada. E Carbón de hueso.
D
Ósmosis inversa.
Justificación B
Recuperación de los pozos clausurados
El medio filtrante a utilizar presenta gran similitud al tejido óseo.
A
Aporte de tecnología alternativa y sustentable al país.
C
Aprovechamiento de residuo animal.
¿Por qué? ¿Para qué? E
D
Se puede remover más de un 80% de flúor.
Objetivos de la Investigación Objetivo General Evaluar la factibilidad técnica de un medio filtrante a base de carbón animal para la remoción de flúor en aguas subterráneas del sector Guarataro, Estado Yaracuy. Objetivos Específicos Inspeccionar técnicamente pozos cerrados ubicados en el sector Guarataro. Determinar la disponibilidad y calidad de las fuentes de aguas para consumo humano de la comunidad Guarataro. Obtener un medio filtrante a partir del tratamiento de hueso bovino. Plantear un sistema de filtración por adsorción para la remoción de flúor de aguas subterráneas. Determinar la remoción de flúor de las aguas subterráneas utilizando carbón animal.
Alcances y Limitaciones Alcance: Evaluar a escala de laboratorio la factibilidad técnica en base al uso de carbón animal como medio filtrante para la remoción de flúor en aguas subterráneas.
Limitaciones: El medio filtrante empleado es exclusivamente a base de carbón de hueso animal. Encontrar puntos de captación de agua disponibles con contenido de fluoruros en la comunidad de Guarataro.
Interacción Flúor - Hidroxiapatita
Fenómeno involucrado: Adsorción. Adsorción Química por intercambio Iónico
Herramientas para estudiar el Fenómeno de Adsorción
Isotermas de Adsorción
Microporos
Macroporos
Característica
Grupos funcionales de Superficie
Macroporos
Mesoporos
Microporos
Diámetro de los poros (Å)
> 1.000
100 – 1.000
20 - 100
Volumen de poros (cm3.g-1)
0,20- 0,8
0,02 - 0,10
0,2 - 0,6
Área másica (m2.g-1)
0,5 - 2,0
20 - 70
400 - 1500
> 500
20 - 500
< 20
Diámetros de poros IUPAC (Å)
Reacciones QuĂmicas involucradas ( en base a sitios activos )
Ca10(PO4)6(OH)2 Estructura de Hidroxiapatita ( sitio activo Ca-OH)
Estructura de fluorapatita
Reacci贸n qu铆mica en la Apatita
Sitio activo Ca- OH2 +
Reacci贸n en el sitio activo P-OH
Sitio Activo P- OH2+
Análisis por Espectroscopía IR en la hidroxiapatita antes y después de la reacción con el ión fluoruro.
Activación del medio filtrante ( carbón de hueso animal) Activación Física: ocurre térmicamente ( 400-500°C) Activación Química: ocurre con ácidos minerales a pH regulado ( 5,4 – 5,6), por debajo de dicho rango se presenta la siguiente reacción. Ca10(PO4)6(OH)2(s) + 14H+(ac)
10Ca+2 (ac) + 6H2PO4- (ac) + 2H2O(ac
Inspección Técnica de los Pozos Visitas a campo y Reuniones
Representantes de Aguas de Yaracuy. Miembros de la Mesa Técnica de Aguas ( sector Guarataro).
Utilización de GPS para la ubicación de los pozos. Condición Actual en los Pozos
Verificación de la operatividad de los pozos. Recolección de evidencias ( fotografías).
Inspección técnica de los pozos clausurados en el sector de Guarataro
Pozo N° 1
Pozo N° 2
Determinación de la disponibilidad y calidad de las fuentes de aguas del sector Guarataro Inspección al Río Guarataro. Estudio Demográfico. Disponibilidad de las fuentes de agua
Inspección en el Sistema de almacenamiento de agua actual. Estudio de demanda de agua. Ubicación de los Pozos empleando un GPS.
Calidad de las fuentes de agua
Captación y Caracterización física, química y microbiológica de dos pozos del sector. (en base a COVENIN 2709-02). Se analizaron 62 parámetros (en base a G.O.V. 36.395).
Determinaci贸n de la disponibilidad y calidad de las fuentes de aguas del sector Guarataro
R铆o Guarataro
N潞
Nombre del sector ( consejo comunal conformado)
Poblaci贸n estimada
Porcentaje representado
1
Consejo Comunal Primera Recta
586 habitantes
42.13%
2
Consejo Comunal El buen samaritano
450 habitantes
32.35%
3
Consejo comunal Guarataro Centro
355 habitantes
25.52%
1391 habitantes
100%
Lapsos de tiempo (horas)
Sistema de almacenamiento
3:00am hasta 6:00 am
Llenado del tanque
6:00 am hasta 3:00 pm
Se surte agua a la comunidad
3:00 pm hasta 6:00 pm
Llenado del tanque
6:00 pm hasta 3:00 am
Se surte agua a la comunidad
Lapso de tiempo de suministro
Estudio de demanda de agua
Funcionamiento
Capacidad suministrada
Total de Horas de suministro
6:00 am â&#x20AC;&#x201C; 80.000 litros 3:00 pm
9 horas
6:00 pm â&#x20AC;&#x201C; 80.000 litros 3:00 am
9 horas
160.000 litros
18 horas
PoblaciĂłn Total estimada asistida
Consumo por persona
1391 habitantes
6.39 litros/ habitante* hora
Calidad de las fuentes de agua del sector Guarataro. Pozo N°3 coordenadas
10º 21´15,403” N 68º 36´32,167” O 61,91 m (ASE)
Parámetros fuera de Normativa Alcalinidad Total. Cloruros. Sólidos Totales Disueltos. Fluoruros. Níquel. Sodio. Aerobios mesófilos Pseudomonas. Coliformes fecales y totales
Calidad de las fuentes de agua del sector Guarataro. Pozo N°4
coordenadas
10º ´20’52,95’’ N 68º 36’21,908’’ O 84,34 m (ASE)
Parámetros fuera de Normativa Cloruros. Fluoruros Aerobios mesófilos.
Elaboraci贸n del medio Filtrante
1) Obtenci贸n del Hueso( f茅mur de res). Cantidad Procesada: 10,30Kg 2) Limpieza previa del Hueso.
3) Tratamiento Químico con NaOH
Por cada 2 ½ Kg aproximadamente de hueso, se empleó 1L de NaOH 6M y 3 L de agua destilada. Tiempo: 4 horas Temperatura: 100ºC 4) Lavado posterior al Tratamiento Químico. Se realizaron siete lavadas con agua en ebullición para remover parte del NaOH. Se debe verificar el pH de la solución remanente.
5) Secado del hueso animal
6) Calcinación del Hueso animal.
Las piezas se dejan secar por un periodo de dos días, para eliminar humedad. La operación se llevó a cabo a 450ºC por un lapso de una hora.
Hueso calcinado. Masa obtenida: 5,225 Kg.
7) Trituración del Hueso animal.
Carbón de Hueso animal. Se obtuvo 5,225 Kg de carbón animal.
Sistema de Trituración continuo.
8) Análisis Granulométrico.
Norma Técnica Colombiana NTC 4467. “Productos Químicos Industriales. Carbón activado. Métodos de Ensayo. 1998”.
Caracterización del medio filtrante ( Carbón de hueso)
Parámetro
Unidad
Valor
U de pH
7,692
Porcentaje % m/m
2,1817
Densidad real
g/cm3
2,18
Densidad aparente
g/cm3
1,0625
Adimensional
0.5125
mg de I/ g de carbón
824,92
m2/ g de carbón
42,78
Diámetro de partícula
cm
0,0991
Porcentaje de Sólidos solubles
Porcentaje % m/m
0,8963 %
pH del carbón Porcentaje Humedad
Porosidad Índice de Iodo
Método
NTC 4467 Área superficial
CARBOMEX
Bonechar
Caracterización del carbón de hueso ( Microestructura)
Microscopía Electrónica de Barrido.
Espectroscopía de Infrarrojo Fuente: Dr. Nahúm Medellín C. Adsorción de fluoruro en solución acuosa sobre carbón de hueso e hidroxiapatita. 1er Seminario Nacional de la RETAC, 2011.
Planteamiento de un prototipo de filtraci贸n a escala de Laboratorio.
Consideraciones
Estimaci贸n de la longitud de lecho a utilizar: t sat: 4 horas. V: 10m/s ( 0,2778 cm/s). Di: 1,15 cm At: 1,03868 cm2 Q: 0,2885cm3/s. Co: 3,95 mg/L. Wsat: 0,3295 mg de F/g de carb贸n. p: 2,18 g/cm3
Planteamiento de un prototipo de filtraciรณn a escala de Laboratorio. Estimaciรณn de la longitud de lecho a utilizar t sat: 4 horas. V: 10m/s ( 0,2778 cm/s). Di: 1,15 cm At: 1,03868 cm2 Q: 0,2885cm3/s. Co: 3,95 mg/L. Wsat: 0,3295 mg de F/g de carbรณn. p: 2,18 g/cm3
Se considerรณ una concentraciรณn final de 0,60 mg/L
Apoyo Técnico al Sistema de Filtración ( Fundación Instituto de Ingeniería) Centro de Tecnología de Materiales. (Unidad de Química y Ambiente)
Centro de Ingeniería Mecánica (CIMEC)
Asesoría en medios filtrantes. Donación de materiales. Criterios para el diseño hidráulico
Apoyo en el Diseño y Fabricación mecánica del sistema de filtración.
Apoyo T茅cnico al Sistema de Filtraci贸n ( Fundaci贸n Instituto de Ingenier铆a)
La implementación de la unidad de filtración, será puesto en marcha en la División CAETRA de la Fundación CIEPE . La unidad de filtración será estratificada con dos lechos y funcionará con flujo ascendente. En base a los ensayos dinámicos realizados, se espera una remoción de fluoruro por encima de 70% . Este prototipo permitirá de cierta forma dar una solución en base al tratamiento de las aguas en el sector Guarataro, ya que a futuro, se podrá proponer instalaciones de filtros en los hogares de la comunidad , o bien crear un filtro a mayor escala, que permita la remoción máxima del contaminante.
Evaluación de remoción de flúor en aguas subterráneas del sector Guarataro. Cuantificación de flúor ( Electrodo de ión selectivo) Ag
Representación de la celda: AgCl; Cl ( 0.3M); F (0.001M) LaF3 Test Interferencias en relación al método:
Aluminio, Boro, Hierro.( regular con el Buffer)* Medio ácido ( forma el complejo HF.HF ) Medio básico ( Regular con el Tampón) Fluorboratos (se puede eliminar con destilación previa)
*Nota: la solución buffer puede contener
CDTA
Monitoreo de otros parámetros importantes Se realizó un registro en cuanto a la variación de : Variación de pH. Conductividad. Sólidos totales disueltos ( S.T.D) Turbiedad. Por otro lado, se estudiaron otros aspectos tales como: % de remoción de flúor. % de conversión en el sistema. % de caída de velocidad. Curvas de rupturas.
Regeneración del medio filtrante.
Se empleó una solución de NaOH, 2% m/v Tiempo de regeneración: 2 horas.
• Posterior a la regeneración, se realizó un montaje de filtración para evaluar ente caso el rendimiento del mismo. • Monitoreo de parámetros antes mencionados.
Evaluaci贸n de remoci贸n de fl煤or en aguas subterr谩neas del sector Guarataro.
Lecho Fresco
Lecho Regenerado
Porcentaje de Rendimiento en base al Lecho fresco
Porcentaje de Rendimiento en base al Lecho Regenerado
Lecho Fresco
Lecho Regenerado
Lecho Fresco
Lecho Regenerado
Lecho Fresco
Lecho Regenerado
Lecho Fresco
Lecho Regenerado
Lecho Fresco
Lecho Regenerado
Lecho Fresco
Conclusiones Se realizaron inspecciones técnicas a los pozos clausurados en el sector Guarataro, y actualmente siguen inoperativos. La única dependencia directa de agua proviene de un tanque de almacenamiento, cuya fuente de agua proviene de la población El Guarapo.
Se realizó la caracterización física, química y microbiológica de dos pozos de agua ubicados en el sector, y ambos mostraron altos niveles de fluoruro. Los rangos obtenidos en el pozo ºN 3 fueron de 4,54 mg/L y el último pozo inspeccionado registró un valor de 3,95 mg/L. Se realizó un estudio general de demanda de las fuentes de suministro estableciendo un consumo per cápita de 6,39 litros/ habitante* hora.
Con el fin de recuperar las fuentes de agua clausuradas, y brindar una alternativa viable, se elaboró un medio filtrante a partir de hueso animal (fémur de res), para la remoción del flúor como agente contaminante
Se determinó el rendimiento másico del hueso de res como materia prima para elaboración de carbón. En este caso se registró una pérdida del 49,43% en peso
Se realizó una caracterización fisicoquímica del carbón, obteniendo datos satisfactorios en relación a su capacidad de adsorción Los análisis arrojaron que, para tratar aguas con concentraciones de 3,95 mg/l fluoruros y estabilizarlas en rangos aceptables de 0,6 mg/L, se consigue esta relación de equilibrio de 0,3298 mg de fluoruro adsorbidos por gramos de carbón. Se elaboró un prototipo de filtración vertical a escala de laboratorio. Para este modelo se emplearon ecuaciones matemáticas, para estimar la altura del lecho a utilizar y relacionarlo proporcionalmente con el tiempo de operación. Por otro lado, las remociones de fluoruro en el sistema fresco fue de 76,61% y realizando la regeneración con la solución básica se obtuvo un rendimiento del 55,3%
Recomendaciones Realizar una caracterización física, química y microbiológica del agua que será estudiada, esto con el fin de garantizar que no existirán interferencias con algunos elementos como aluminio y hierro. Realizar la activación del carbón de hueso animal solo de forma física, ya que de forma química, el medio filtrante reacciona y se descompone. Eliminar la mayor cantidad de tejidos grasos en la parte de lavados previos, esto con el fin de consumir menor cantidad de hidróxido de sodio en la parte de extracción de grasas. Elaborar un filtro previo sin carbón activado, solo de arena y grava, esto con el fin de hacer un pretratamiento al agua dependiendo de los niveles de turbiedad en que se encuentre.
Realizar lavados previos al carbón con agua destilada, con el fin de evitar un color intenso en el efluente. Si el agua tratada, presenta inconvenientes de sabor, se puede incorporar al medio de filtración una capa de carbón activado vegetal. Proponer otro sistema de filtración a la población de Guarataro. En esta investigación, a pesar que no era parte de los objetivos específicos, se realizaron modelos de agitación para ver la eficiencia en cuanto a remoción. En este caso puntual se empleó un cálculo matemático para estimar la cantidad de carbón necesario, en función del volumen de agua a tratar. Se sugiere elaborar sistemas de filtración a mayor escala para ver el funcionamiento operativo del mismo, y así evaluar la remoción de flúor.
Tanque de almacenamiento de agua tratada de 25 litros. Sistema de agitación, para disminuir los niveles de fluoruros antes de entrar al sistema de filtración vertical. En este caso se empleará carbón pulverizado. (Malla N° 200). Cf (concentración final de fluoruro en la salida del filtro)
Co (Concentración inicial de fluoruro)
Se establecen condiciones óptimas de operación: Rpm= Tiempo de contacto= Masa de carbón= Volumen de agua a tratar= Diámetro de partícula= Temperatura= % Humedad =
Ci = concentración mejorada de fluoruro, antes de entrar al sistema de filtración.