Electro remediación en función de la concentración de ácido acético como alternativa para la disminución de plomo en suelos agrícolas, Huancayo, Orcotuna, 2019
Electro remediación en función de la concentración de ácido acético como alternativa para la disminución de plomo en suelos agrícolas de Orcotuna – Huancayo 2019 Electroremediation in function of the concentration of acetic acid as an alternative for the decrease of lead in agricultural soils Orcotuna - Huancayo 2019 Eufracio R. Jorge¹, Rojas P. Adriana², Romero N. Samantha³, Román I. Xiomy 4 Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Civil¹, Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Ambiental ², Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Ambiental³, Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Ambiental 4 Avenida San Carlos Nº 1980, Urbanización San Antonio, Huancayo-Junín. 71928487@continental.edu.pe 70310002@continental.edu.pe 72730630@continental.edu.pe 74065310@continental.edu.pe
Resumen Las viejas prácticas agrícolas y el manejo inadecuado de sus residuos, como también la inexistencia de normas técnicas precisas que regulen el uso adecuado de agroquímicos, ha provocado la acumulación de pasivos ambientales a lo largo de estos tiempos, asimismo, provocando contaminación de recursos naturales cuyo uso puede poner en riesgo la salud pública. En las últimas décadas se ha incrementado el interés por desarrollar nuevas tecnologías que ayuden a solucionar los problemas de suelos contaminados, principalmente los que están ligados a la actividad agrícola, se propone la electroremediación por su capacidad de remover contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos. Ofrece un estudio fisicoquímico en una celda de electrorremediación experimental, de un suelo real, provenientes del distrito de Orcotuna, provincia de Huancayo. Se utilizó agua (como humectante para el suelo) y ácido acético (0.01, 0.03 y 0.10 M) (electrolítico), al cual se le aplicó un potencial constante de 24 Voltios durante 24 horas. Al terminar los experimentos se recuperó el suelo, se determinó el pH. Al final de los 7 experimentos se logró una remoción de 40.39 % de plomo de un suelo agrícola, disminuyendo así la toxicidad. Asimismo, mediante el análisis ANOVA se determinó que la concentración del ácido acético que afecta notablemente en el proceso de electroremediación para remover el plomo. Utilizando la técnica de electroremediación se puede disminuye la toxicidad del suelo agrícola de la localidad de Orcotuna que está calificado como riesgo para la salud humana. Por ende, con estas demostraciones se puede optar por utilizar la electroremediación como una tecnología limpia y como una alternativa para tratar suelos agrícolas, ayudando así a bajar los índices de conflictos sociales y ambientales en nuestra región. Abstract Old agricultural practices and proper management of their waste, as well as the absence of precise technical standards that regulate the proper use of agrochemicals, have caused the accumulation of environmental liabilities throughout these specific times, causing the contamination of natural resources whose use may endanger public health. In recent decades, interest in developing new technologies that help solve the problems of contaminated soils has increased, mainly those linked to agricultural activity, proposes electroremediation for its ability to eliminate both organic and inorganic contaminants. Physicochemical study offers an experimental cell electrorremediación of real soil from Orcotuna district, province of Huancayo. Water (as a soil humectant) and acetic acid (0.01, 0.03 and 0.10 M) (electrolytic) were analyzed, to which a constant potential of 24 Volts was applied for 24 hours. At the end of the experiments the soil was recovered, the pH was determined. A the end of the 7 experiments, a removal of 40.39% lead agricultural soil was made, thus reducing toxicity. Also, by ANOVA concentration acetic acid markedly affecting the electro remediation process to remove lead it was determined. Using the technique of electro remediation can modify the toxicity of agricultural land in the town of Orcotuna who is qualified as a risk to human health. Therefore, with these demonstrations one can choose to use electroremediation as a clean technology and as an alternative to treat agricultural soils, thus helping to reduce the rates of social and environmental conflicts in our region. Palabras clave | Key words: Agroquímicos, electroremediación, electrolítico, toxicidad. Agrochemicals, electroremediation, electrolytic, toxicity
Introducción Los metales pesados son un conjunto de elementos que presentan como característica común su elevada densidad. Esta denominación tiene connotaciones de contaminación o toxicidad, sin embargo, la presencia de metales pesados como Pb, puede llegar a limitar el crecimiento vegetal y/o ser tóxicos para las plantas, animales y seres humanos. Además, incluso elevadas concentraciones de elementos esenciales pueden causar efectos negativos sobre los seres vivos. La fitotoxicidad producida por la elevada concentración de metales pesados, que afecta al crecimiento y desarrollo vegetal, es debida tanto a la toxicidad intrínseca de los metales, como al carácter acumulativo de cada elemento. Las principales vías de entrada de los metales a las plantas son el aire, el agua y el suelo, siendo las plantas un punto de conexión (Yarasca Bejarano, 2015, p.87). Los principales peligros ambientales de la transferencia de metales pesados desde el suelo a las plantas son la entrada de los metales en la cadena trófica, la cosecha por su fitotoxicidad y la absorción de metales desde el suelo por plantas tolerantes, que pueden producir efectos tóxicos en la flora 12 y la fauna. Por lo tanto, además del suelo las plantas son un elemento importante en los procesos de contaminación. Esto es especialmente relevante en zonas agrícolas, ya que la transferencia de metales pesados a los seres humanos puede producirse de manera directa. Los problemas ambientales en nuestro país relacionados a la minería del cobre y plomo, se originan en diferentes etapas del proceso productivo. En el caso del complejo metalúrgico de la Oroya (Doe Run), las emisiones de las fundiciones de cobre y plomo han sido fuente importante de contaminación en las áreas donde se instalaron y en el río Mantaro adyacente a la Planta de fundición cuyas aguas sirven para la irrigación de cultivo de grandes hectáreas en el Valle del Mantaro. Uno de los contaminantes ha sido el plomo, el cual es emitido en forma de material particulado fino que se deposita en la superficie del suelo y se incorpora en los ciclos de los ecosistemas (Maquehua y Valverde, 2012, p.123). Además, el río Mantaro aumenta su contaminación en la Oroya por los relaves y otras sustancias tóxicas que le llegan por el río Yauli, que trae de las minas que están en las inmediaciones de la laguna de Huascacocha, que se halla también marcadamente contaminada. El diario Comercio dijo: que, si se dejara de eliminar los relaves y otros agentes tóxicos, pasarían 500 años para la recuperación del ecosistema de la laguna Huascacocha (Yarasca Bejarano, 2015, p. 56).
● Determinar la concentración del ácido acético para la remoción de plomo por electrorremediacion en los suelos agrícolas en el distrito de Orcotuna 2019. ● Determinar la concentración del plomo en los suelos agrícolas en el distrito de Orcotuna
Marco teórico Metales Pesados Se denominan metales pesados a aquellos elementos químicos que poseen un peso atómico comprendido entre 63.55 (Cu) y 200.59 (Hg), y presentan un peso específico superior a 5 (gr/cm3), como el plomo (Pb), cadmio (Cd), cromo (Cr), mercurio (Hg), zinc (Zn), cobre (Cu), plata (Ag) y Arsénico (As) y en altas concentraciones pueden resultar tóxicos para los seres vivos, tales como humanos, organismos del suelo, plantas y animales (Rodríguez-Ortíz,2006, p.36). A) Oligoelementos o Micronutrientes. - Requeridos en pequeñas cantidades o trazas por plantas y animales, y son necesarios para que los organismos completen su ciclo vital, convirtiéndose en tóxicos cuando pasan cierto umbral; dentro de este grupo se encuentra: arsénico (As), bromo (Br), cobalto (Co), cromo (Cr), molibdeno (Mo), manganeso (Mn), níquel (Ni), selenio (Se), zinc (Zn) (Nedelkoska y Doran, 2000, p.105). B) Metales pesados sin función biológica conocida. La presencia en seres vivos en determinadas cantidades lleva a disfunciones en los organismos y en concentraciones altas, resultan altamente tóxicos, presentando la propiedad de acumularse en los organismos vivos, dentro de este grupo se encuentra: cadmio (Cd), mercurio (Hg), plomo (Pb), cobre (Cu), antimonio (Sb), bismuto (Bi) (Maqueda, 2003, p.56). Electrorremediación La Electrorremediación es una tecnología para restaurar suelos contaminados que se basa en la generación de un campo eléctrico a partir de imponer corriente directa. Para la aplicación de una diferencia de potencial, o una corriente directa, se requiere el empleo de electrodos (ánodo y cátodo), los cuales son colocados en pozos excavados en el suelo, usualmente estos se humectan con un electrolito para mejorar las condiciones de conducción del campo eléctrico. La acción del electrolito permite transportar el contaminante hacia los pozos en donde será extraído. Al contrario del arrastre de fluidos, esta técnica permite establecer una migración dirigida, la cual evita la dispersión del contaminante fuera de la zona de tratamiento. (Pérez, 2007, p.96).
Objetivos Objetivo general • Determinar de qué manera la técnica de electrorremediación influye en la remoción del plomo en una superficie agrícola en el distrito de Orcotuna 2019. Objetivos específicos ● Determinar el rango de la densidad de corriente para la remoción de plomo por electrorremediacion en los suelos agrícolas del distrito de Orcotuna 2019.
Objetivo de la Electrorremediación Extraer metales pesados del suelo mediante el paso de una corriente directa a través del suelo, basada en los tres mecanismos descritos. En este caso la realización de esta técnica se enfocará a la remoción de As y Cu.” En nuestra investigación será la remoción de plomo. Según Conocimiento, (2014) menciona que el único objetivo del electro remediación es: “Lograr la remoción del suelo contaminado en una fracción de tiempo, a condiciones controladas y con una mejor recuperación de suelos. (Alcaino Concha, 2012, p,39).
Fundamentos y sus principios básicos de la electrorremediación El principio en que se basa la electrorremediación es la electrólisis, proceso en que las reacciones redo sólo tienen lugar si se les suministra energía por medio de una corriente eléctrica aplicada desde el exterior, que significa separación por electricidad. La electrólisis se realiza en las celdas electrolíticas, que son unos depósitos que contienen el electrolito disuelto o fundido y dos electrodos. Los electrolitos disueltos o fundidos conducen la corriente eléctrica por medio de los iones positivos y negativos, al mismo tiempo que se produce algún cambio químico en los electrodos. (Laso, 2011, p.56).
Materiales y Métodos Experimental: Experimental puro: Para la comprobación de la hipótesis de nuestra investigación, el modelo experimental a utilizar será bifactorial con tres niveles por variable independiente con un tamaño muestra de tres repeticiones para cada nivel. Los tres niveles son de concentración de ácido acético de 0.001 M, 0.002 M y 0.003M interactuando con la densidad de corriente, se realizó tres pruebas para cada interacción. La remoción de plomo, se obtiene de la recolección de datos correspondiente a cada una de las interacciones de la concentración de ácido acético y la densidad de corriente. (Escobar, 2016, p.51). o
Figura 1. recolección de la muestra del suelo o Colocar el suelo extraído en una manta grande o balde. Esto constituye una muestra individual (simple). o Repetir la excavación y extracción del suelo en 8 a 10 puntos, en forma similar, ubicándolos en un recorrido de zig zag, paralelo, diagonal o aleatorizado. Se colocó las muestras juntas en la manta grande o balde. o Al terminar de obtener las muestras simples, se deben mezclar bien, tratando que sea lo más uniforme o Al finalizar la mezcla hacer un cuarteo y obtener una muestra de cada cuarto para completar 10 kg de suelo y colocar en una bolsa plástica transparente.
Procedimientos de recolección de datos
Para poder muestrear el suelo de manera correcta se hiso uso de la guía para el muestreo de suelos (En el marco del D.S. N° 002-2013-MINAM, Estándares de Calidad Ambiental para Suelos) el cual nos brinda información acerca del muestreo correcto según el área de trabajo (Escobar, 2016, p.51). Se revisó información general en los temas de remediación de suelos contaminados por metales y las tecnologías limpias que se pueden aplicar in situ, ya que, es un tema de vital importancia porque es el inicio de los conflictos sociales en nuestra región, tema aplicado al cierre de minas: obteniendo información de diversas fuentes, entre las que se destaca los títulos de diferentes universidades, informes especializados, artículos entre otros (Escobar, 2016, p.53). o Se procedió a elegir un terreno de agricultura, en la región Junín, para poder aplicar lo teórico. o Reconocer y delimitar el área a muestrear. o Tomar cada una de las 8 a 10 muestras individuales (simples) que conforman la muestra compuesta, procediendo así: o Limpiar la superficie del suelo de todo residuo orgánico reciente. o Excavar el suelo en forma de un cuadrado o rectángulo de 20-30 cm de ancho x 20-30 cm de largo, hasta la profundidad de la primera capa de suelo o profundidad de las raíces. o Introducir la pala (recta) hasta la profundidad de la excavación y sacar un volumen de suelo.
Figura 2: Secado de la muestra por dos días o La muestra debe ser identificada con los datos o Se llevó al laboratorio para caracterizar el suelo, contenido de humedad, pH. o Se sacó el contenido de plomo presente en el relave. o Se procedió a realizar la celda de electrorremediación para realizar los ensayos en laboratorio. o Luego se procedió a hacer los ensayos de electrorremediación en una celda de vidrio, como son los siguientes.
Figura 3. Modelo terminado o En nuestra investigación hemos utilizado el ácido acético como electrolítico, para que no surja una precipitación del plomo sino ayude a una remoción de plomo.
o También se hizo un electrodo de referencia de sulfato de cobre, que tiene una función de medir el potencial. o Una vez con los resultados del laboratorio se procedió a hacer los cálculos del porcentaje de disminución de plomo.
Tabla 2. Concentración de ácido acético
Valido ,00 ,01 ,03 ,10 Total
Resultados 4.1. Resultados del tratamiento y análisis de la información 4.1.1 Resultado para lograr explicar el objetivo específico • Objetivo Específico: Determinar la concentración del plomo en los suelos agrícolas en el distrito de Orcotuna 2019 Empezamos con la primera muestra (M0) que nos indica que existe 88 ppm de plomo presente en la muestra de suelo agrícola obtenida de la muestra de Orcotuna, este valor es resultado del análisis antes de ser tratado por el proceso de electrorremediación, el cual nos indica un claro grado exceso en los LPM de ECA suelo (2017).
Frecuencia Porcentaje 1 14,3 2 28,6 2 28,6 2 28,6 7
100,0
Porcentaje Porcentaje Valido Acumulativo 14,3 14,3 28,6 42,9 28,6 71,4 28,6 100,0 100,0
Fuente: elaboración propia. 2019 Tabla 3. Agua destilada
Frecue Porce Porcenta ncia ntaje je valido Val 0 1 14,3 14,3 ido 360 2 28,6 28,6 388 2 28,6 28,6 496 2 28,6 28,6 Tot 7 100,0 100,0 al
4.1.2 Resultado para lograr explicar el objetivo específico • Objetivo Específico: Determinar la concentración del ácido acético para la remoción de plomo por electrorremediación en los suelos agrícolas en el distrito de Orcotuna 2019 De acuerdo al resultado obtenido de los análisis realizados a los ensayos, se realizaron 6 experimentos para evaluar el contenido de plomo, como se puede observar en el resultado certificado de los ensayos de electrorremediación de la muestra obtenida de Orcotuna.
Porcenta je Acumula tiva 14,3 42,9 71,4 100,0
Fuente: elaboración propia. 2019
Para ello las concentraciones de Ácido acético utilizadas en el experimento donde se observa un cambio significable en el contenido de plomo en el suelo agrícola es el siguiente. Teniendo en cuenta la Tabla N° 2 de ECA Suelos donde menciona que el Límite máximo permisible es de 70 ppm en un suelo agrícola. (Decreto Supremo N° 011-2017MINAM, 2017)
Tabla 1. Porcentaje de ácido acético Factor Acido Concentración de Ácido acético
1% 3% 10%
81 ppm 71 ppm 50 ppm
Fuente: elaboración propia. 2019
acético Figura 1. Comparación de la concentración de Ácido acético y Pb en ppm Fuente propia
Y
83 ppm 68 ppm 53 ppm
Interpretación: • •
A menor concentración de ácido acético (0,01%) mayor presencia de plomo. A mayor concentración de ácido acético (0,10%) menor presencia de plomo
Discusión • Concentración del plomo en los suelos agrícolas al inicio del estudio experimental. Según MAQUERHUA PONCE el valor promedio obtenido para la concentración de plomo en un suelo agrícola del distrito de Orcotuna es: 60,9 ppm. Mientras que en este estudio realizado obtuvimos 88 ppm, lo cual indica un incremento significativo sobre la concentración de Pb presente en suelo agrícola, ya que han pasado 7 años en los cuales el Pb se ha ido acumulando progresivamente en estos suelos por causas diversas dando a conocer una contaminación moderada al suelo por parte del Plomo, en el la tesis “. (6) • Determinar la concentración del ácido acético para la remoción de plomo por electrorremediación en los suelos agrícolas en el distrito de Orcotuna 2019 Según Escobar Misahuaman Podemos observar que la aplicación de la técnica de electrorremediación se llega a disminuir la concentración de plomo como se observa en la última muestra que es de 989 mg/kg. También se puede mencionar que la concentración del ácido acético está en función con la densidad de corriente y afectan notablemente en el proceso de electrorremediación para la remoción de plomo. Mientras que en el presente trabajo aplicando la concentración del ácido acético al 10% de concentración de plomo nos da 50 ppm y 53 ppm, muy por debajo de los LMP de ECA Suelo, lo cual muestra una reducción significable en la disminución de plomo en los suelos agrícolas. (7) • Determinar de qué manera la técnica de electrorremediación influye en la remoción del plomo en una superficie agrícola en el distrito de Orcotuna 2019. Según Escobar Misahuaman (2016) La electrorremediación tiene un gran potencial para remediar diversos tipos de suelos contaminados por metales. Donde se asegura mediante ensayos ya demostrados, que las dos variables: Concentración de ácido acético y la densidad de corriente influyen notablemente en el proceso de electrorremediación para la remoción de plomo. Según tabla 35 (Resultado de remoción de plomo después de los ensayos de electrorremediación). Teniendo en cuenta la muestra más representativa de los ensayos (M2) (1485.96 mg/kg de plomo en el relave) indica que en la M37 ha bajado el porcentaje de plomo (988.35 mg/kg de plomo en el relave). (7) De acuerdo a nuestro proceso experimental al tercer ensayo en la muestra clave (3I) Y (3II) se puede apreciar que existe 50 ppm y 53 ppm de plomo presente en la muestra de suelo agrícola a una concentración del 10% de ácido acético usada en su remediación. Siendo este nuestro mejor resultado, demostrando así que el suelo fue adecuado para el estudio según el ECA Suelos si está contaminado con Pb ya que los valores están debajo de los 70 ppm. (Decreto Supremo N° 011-2017-MINAM, 2017). En comparación a los resultados, la cantidad de concentración de Plomo en la tesis es mayor a la cantidad de plomo encontrada en nuestra muestra de suelo
agrícola debido a que la muestra del suelo de la tesis es directamente de un relave minero por lo cual ambos experimentos fueron exitosos de acuerdo a la concentración de plomo hallada en cada muestra observando así una reducción de plomo en el suelo agrícola que fue objeto de estudio.
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