RESUMEN

En diversos lugares del mundo es frecuente caracterizar grande zonas territoriales en

que las aguas subterráneas pueden aparecer con cantidades relativamente elevadas

de arsénico. Estas que generalmente son explotadas para satisfacer las necesidades

de consumo humano, presentan el enorme riesgo que, al ser ingeridas en forma

continua y por largos periodos, resulte altamene tóxico para la salud. Según

investigaciones los estados con mayor afectación son Aguascalientes, Chihuahua,

Durango, Coahuila y San Luis Potosí.

El consumo de alimentos y agua es la principal fuente de exposición al arsénico,

elemento que causa efectos adversos a la salud, la Organización Mundial de Salud

(OMS, 1996) y la Agencia de Protección al Ambiente en Estados Unidos (EPA, 1998)

clasifican al As inorgánico como un agente carcinógeno al ser humano.

Por ello, el proyecto sobre el cual se basa este estudio tuvo como finalidad estudiar

un proceso de remoción, utilizando como adsorbente un recurso mineralógico natural

de la región (zeolita), en columna.

Se realizo un trabajo de experimentación en un rango de pH de entre 4 y 10,

manejando 9 lotes de pH/ prueba. Al analizar estos datos el % de adsorción tiende a

aumentar conforme baja el pH. Los porcentajes de remoción obtenidos con los

materiales seleccionados, estuvieron por arriba del 80%.

1. INTRODUCCIÓN

El agua como fuente vital para todo ser vivo ha encontrado una problemática severa

en su calidad a causa de la sobreexplotación de los mantos acuíferos.

A causa de la alteración física y psicológica que provoca esta intoxicación, se han

realizados diversos estudios para determinar la presencia (cuantitativa) y disminución

del arsénico en el agua por medio de diversos procesos Fisicoquímicos.

1.1 Situación Actual.

En las zonas áridas y semiáridas de México, la principal fuente de agua para

diferentes usos, entre ellos el de consumo humáno, proviene de los mantos

acuíferos. La extracción inmoderada de este recurso origina que se encuentren

algunos metales, debido a la disolución de los minerales que están presentes en la

conformación geológica.

Algunos de ellos a las concentraciones presentes, llegan a ocasionar problemas de

toxicidad a los seres vivos, por lo que es de importancia su remoción a través de

procesos fisicoquímicos principalmente.

La alúmina activada y el hidróxido férrico granular son ejemplos de adsorbentes

comerciales utilizados ampliamente en los procesos de remoción. Su utilización en

países en desarrollo afecta a la economía regional, debido a los altos costos que

implica. Por ello se han estado desarrollando estudios de investigación para

encontrar materiales que puedan ofrecerse como sustitutos de estos y otros

productos comerciales.

Estudios geológicos y mineralógicos realizados en Durango han detectado la

presencia de minerales arcillosos con características adsorbentes, como es el caso

de las zeolitas. Las zeolitas son en la actualidad materiales de enorme interés

científico y tecnológico basados en aluminofosfatos y silicoaluminofosfatos que a

escala industrial se utilizan en multitud de procesos como catalizadores, adsorbentes

y agentes de intercambio iónico, presentando una alternativa viable a los procesos

que requieren de materiales de mesoporosidad uniforme, basados en yacimientos

regionales.

1.2 Arsénico

El arsénico es un metaloide tóxico, pertenece al grupo 5A y tiene estados de

oxidación –3, +3 y +5. El As se presenta en forma natural en rocas sedimentarias y

rocas volcánicas, y en aguas geotermales. El As se presenta en la naturaleza con

mayor frecuencia como sulfuro de arsénico y arsenopirita, que se encuentran como

impurezas en los depósitos mineros, o como arsenato y arsenito en las aguas

superficiales y subterráneas. Es usado comercialmente e industrialmente como un

agente en la manufactura de transistores, láser y semiconductores, como también en

la fabricación de vidrio, pigmentos, textiles, papeles, adhesivos de metal,

preservantes de alimentos y madera, municiones, procesos de bronceado,

plaguicidas y productos farmacéuticos.

La ingestión de agua con altas concentraciones de As incrementa el riesgo de cáncer

de piel y tumores en la vejiga, riñones y pulmones (Chiow y col., 1995), decoloración

de la piel (Mandal y col., 1996), nausea, diarrea, decremento en la producción de

células sanguíneas (Resuke y col., 1991), ritmo anormal del corazón, daño de venas

y adormecimiento de las palmas de las manos y plantas de los pies (Donofrio y col.,

1987). Investigaciones recientes han relacionado la exposición a As con el desarrollo

de diabetes mellitus (Rahman y col., 1995).

MATERIALES Y METODOS

Selección del material

Este punto consistió en realizar una prospección mineralógica en el Estado de

Durango, a través de información geográfica y trabajo de campo, misma que se

realizó por personal de investigación en el área de Geología del CIIDIR, previa a este

estudio.

El mineral con el cual se trabajo fue identificado previamente como zeolita el cual

extraído del yacimiento localizado entre el Km. 44 - 45 de la carretera Durango-

Topia, proporcionado por investigadores del CIIDIR-IPN Durango, del área de

Materiales.

Caracterización del mineral

Para poder identificar la composición del mineral, se determinó la

caracterización, misma que comprendió las siguientes actividades:

Pretratamiento

Consistió en el secado (a 25 ºC), una vez secado, el mineral es triturado y

molido hasta que pase la malla 100, para su posterior análisis. Se pesan con

precisión en la balanza analítica 20 g de cada zeolita tamizada, se guardan en bolsas

y se etiquetan para poder ser identificadas.

Tratamiento Químico

Se realizó por el método de digestión húmeda. Consistió de la digestión de

muestras con agua regia (HCl:HNO3), llevándose a digestión completa, en una

parrilla de calentamiento, a temperatura controlada para evitar proyecciones de

muestra.

El material de laboratorio utilizado durante los análisis fue: pipetas, picetas,

buretas, matraces, vasos, embudos y recipientes para guardar las muestras de agua,

entre otros. Antes de utilizar cualquier material de laboratorio se lavó perfectamente,

esto para poder eliminar todo residuo adherido a las paredes. Este material se lavó

con agua, jabón líquido, ácido clorhídrico al 5% y agua desionizada.

Digestión de muestras para la determinación de metales pesados

• Se pesaron con precisión 0.5 g de cada zeolita con tamaño de partícula de -

40 +20 mallas (por duplicado), cada muestra se depositó en un vaso de

precipitados de 250 ml.

• Se agregaron 3 ml de ácido nítrico (HNO3) y 9 ml de ácido clorhídrico (HCL)

a cada vaso de precipitados, con pipetas serológicas de 5 y 10 ml.

• Los vasos se taparon con vidrios de reloj. Se calentaron casi a sequedad

aproximadamente a un volumen de 2 ml evitando que se proyectara la

muestra.

• Una vez que alcanzaron este volumen se volvió a agregar la misma cantidad

de HNO3 y HCL, prolongando la digestión, evaporando casi a sequedad

(aprox. 2 ml). Generalmente fue cuando adquirieron una apariencia

cristalina.

• Se agregaron 10 ml de HCL y 10 ml de agua desionizada. Se evaporaron

hasta un volumen de 10 ml para redisolver precipitados que se formaron.

• Una vez que se obtuvieron aproximadamente 10 ml de las muestras, se

retiraron de la parrilla y se dejaron enfriar un poco. Se filtraron a través de

papel filtro whatman No. 41 y se aforaron a 100 ml con agua desionizada.

Las muestras se vaciaron en frascos de polietileno (previamente

etiquetados) ambientados previamente con la misma muestra.

• Las muestras estaban listas para su análisis.

El contenido de metales se realizó por absorción atómica, por la técnica de flama

para: Fe, Mg y Mn (debido a las características mineralógicas de las muestras), con

la finalidad de conocer la presencia de estos elementos, que pueden aumentar las

características de adsorción al mineral. Se incluyeron también el análisis de los

elementos a remover, para observar si el material contenía de antemano presencia

de ellos.

El equipo utilizado para la medición de las concentraciones fue un

espectrofotómetro de absorción atómica (EAA), marca Perkin Elmer modelo 2280. En

la Tabla 1 se especifican las condiciones espectrales de cada elemento analizado.

Tabla 1. Condiciones de Calibración para el EAA.

Elemento

Longitud de

onda (nm)

Apertura del

monocromador

Flama Fuente

Mg 285.2 0.7 Aire-acetileno Lámpara de

cátodo hueco.

Mn 279.5 0.2 Aire-acetileno Lámpara de

cátodo hueco.

Fe 248.3 0.2 Aire-acetileno Lámpara de

cátodo hueco.

Determinación de Silice El procedimiento que se llevo a cabo para determinar la cantidad de sílice por fusión

con hidróxido de sodio.

El contenido de Sílice se calcula por diferencia de peso de la muestra original y las

cenizas mediante la ecuación siguiente :

( )10022 *

mgmuetraWmgSiOWSiO% ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−−

= ( 1)

Donde el peso de la muestra se determino mediante la siguiente ecuación:

W muestra = ( W del crisol de porcelana a WCTE con muestra) - W del crisol de porcelana a WCTE (2)

Determinación de Aluminio El contenido de aluminio se determina por diferencia de los porcentajes de óxidos

calculados :

( )∑ ++++++−−−−= FeNaKMnCaMgSide%losdeOAl% 10032

(3)

PRUEBAS DE ADSORCIÒN Las pruebas de adsorciòn consistieron en realizar pruebas Batch con de relación de

hidromódulo de las muestras de 1:25 (Adsorbente: Solución)

Estas pruebas consistieron en la determinación de:

a) Efecto del pH

b) Estudio de la Cinética de Remoción

c) Isotermas de Adsorción

EFECTO DEL PH. El termino de pH optimo se puede definir como el punto de la escala del pH donde se

realiza la mayor adsorción del material a remover sobre el adsorberte.

El experimento se realizó determinando los siguientes parámetros:

• Variable experimental (independiente): Ph

• Variable de respuesta: Concentración y % de remoción.

Temperatura: Ambiente (21 - 25 °C).

INÉTICA DE REMOCIÓN.

arámetros experimentales:

a: Concentración y % de remoción.

para el control de pH

- 25 °C).

pH de remoción: 7 (±0.05).

OTERMAS DE ADSORCIÓN

: % de remoción.

iales: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 50,75 y 100 ppm.

pH de remoción: el determinado por la prueba de pH (7.0).

• Número de repeticiones: 3

• Número total de muestras: 27

• Concentración inicial: 100 ppm.

•

C P

• Variable de de respuest

• Número de pruebas: 3

• Número total de muestras: 30 y 1

• Concentración inicial: 100 ppm.

• Temperatura: Ambiente (21

•

IS Parámetros Experimentales

• Variable dependiente

• Número de lotes: 9

• Número de pruebas: 3

• Numero total de muestras:27

• Concentraciones muestras inic

• Hidromódulo: 1:25 (2g : 50ml)

• Temperatura: Ambiente (21 - 25 °C).

• Tiempo de contacto total: 48 horas.

•

Para obtener las concentraciónes problema de arsénico, se realizaron diluciones de

stándar primario (1000 ppm)

.

e

RESULTADOS

Caracterización de los materiales

ar la concentración

del elemento en la muestra, con la siguiente ecuación.

De acuerdo a la Ley de Beer y Lambert, la relación entre la

absorbancia y la concentración se comporta de manera lineal, por lo que a

partir de las lecturas de absorbancia, se puede calcul

bxay +=

Donde:

y = absorbancia

a = la ordenada al origen

x = la concentración

De donde:

b = la pendiente

( )b

ayx −= (Ec. 2)

la que está comprendido,

Para muestras sólidas se emplea la Ec. 3:

Una vez calculada la ecuación de la línea recta, se procede a calcular

la concentración del elemento en la matriz en

mediante las Ecuaciones 3 y 4 (Perkin-Elmer):

( )( )( )W

dfVCg

g ..=μ (Ec. 3)

Donde:

C = concentración “x” calculada en la Ec. 2

la muestra diluida en ml) / (Volumen de la

lícuota diluida en ml)

W = peso de la muestra

Para muestras líquidas se hace uso de la Ec. 4:

V = Volumen de aforación

f.d = (Volumen de

a

[ ]dfCLmg .∗= (Ec. 4)

C = concentración “x” calculada en la Ec. 2

de la muestra diluida en ml) / (Volumen de la

alícuota diluida en ml)

9.1.1 Fierro (Fe)

s valores obtenidos para la elaboración

e la curva de calibración, se enlistan en la Tabla 3.

Donde:

f.d = (Volumen

Se prepararon los estándares de Fe. Lo

d

Tabla 3. Datos para la curva de calibración de Fe.

Estándar de concentración

(p ) Absorbancia (nm)

pm

1 0.01

2 0.02

3 0.03

4 0.036

5 0.045

6 0.053

La curva de calibración para Fe se muestra en la Figura 1.

y = 0.0085x + 0.0027R2 = 0.9955

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 1 2 3 4 5 6 7

Concentración de Fe (ppm)

Abs

orba

ncia

(nm

)

Figura 1. Curva de calibración para Fe.

a Tabla 4 resume los resultados del análisis de las muestras de Fe.

L

Tabla 4. Resultados de análisis de Fe.

Abs ciaX Zeolita

orban

(nm) (mg/L) W (g) µg/g

ZEO 1 0.09 10.2706 0.5025 2043.898

ZEO 2 0.056 6.2706 0.5023 1248.375

ZEO 3 0.042 4. 6235 0.503 919.1907

ZEO 4 0.052 5.8 0.5003 1159.304

ZEO 5 0.04 4.3882 0.5036 871.3732

9.1.2 Magnesio (Mg)

s valores obtenidos para la elaboración de la

rva de calibración, se enlistan en la Tabla 5.

rva de calibración de Mg.

Estándar de concentración

(pAbsorbancia (nm)

Se prepararon los estándares de Mg. Lo

cu

Tabla 5. Datos para la cu

pm)

0.1 0.077

0.2 0.14

0.3 0.2

0.5 0.37

La curva de calibración para Mg se muestra en la Figura 2.

y = 0.7346x - 0.0053R2 = 0.9922

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Concentración de Mg (ppm)

Abs

orba

ncia

(nm

)

Figura 2. Curva de calibración para Mg.

La Tabla 6 resume los resultados del análisis de las muestras de Mg.

Tabla 6. Resultados de análisis de Mg.

Zeolita Absorbancia

(nm) X (mg/L) W (g) µg/g

ZEO 1 0.088 0.1270 0.5025 25.2752

ZEO 2 0.126 0.1787 0.5023 35.5837

ZEO 3 0.113 0.1610 0.503 35.0159

ZEO 4 0.12 0.1706 0.5003 34.0933

ZEO 5 0.074 0.1079 0.5036 21.4356

9.1.3 Manganeso (Mn)

Se prepararon los estándares de Mn. Los valores obtenidos para la elaboración de la

curva de calibración, se enlistan en la Tabla 7.

Tabla 7. Datos para la curva de calibración de Mn.

Estándar de concentración

(ppm) Absorbancia (nm)

0.5 0.034

1 0.063

2 0.138

3 0.188

4 0.258

La curva de calibración para Mn se muestra la Figura 3.

y = 0.0636x + 0.0028R2 = 0.9963

0

0,1

0,2

0,3

0 1 2 3 4 5

Concentración de Mn (ppm)

Abs

orba

ncia

(nm

)

Fig. 3 Curva de calibración para Mn.

La tabla 8 muestra los resultados del análisis de las muestras de Mn.

Tabla 8. Resultados de análisis de Mn.

Zeolita Absorbancia

(nm) X (mg/L) W (g) µg/g

ZEO 1 0.221 3.4308 0.5025 682.7498

ZEO 2 0.123 1.8899 0.5023 376.2566

ZEO 3 0.078 1.1824 0.503 235.0676

ZEO 4 0.104 1.5912 0.5003 318.0482

ZEO 5 0.089 1.3553 0.5036 269.1314

9.2 Pruebas de Adsorción en columna

9.2.1Arsénico (As)

Se prepararon los estándares de As. Los valores obtenidos para la elaboración de la

curva de calibración, se enlistan en la Tabla 9.

Tabla 9. Datos para la curva de calibración de As.

Estándar de concentración

(ppb) Absorbancia (nm)

20 0.014

40 0.017

60 0.028

80 0.034

100 0.039

La curva de calibración para As se muestra en la Figura 4.

y = 0.0003x + 0.0082R2 = 0.9946

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 20 40 60 80 100 120

Concentración de As (ppb)

Abs

orba

ncia

(nm

)

Fig. 4 Curva de calibración para As.

Tabla 10. Resultados de remoción de As.

Zeolita μg/L % Remoción

MZ 1 19.23 80.77

MZ 2 14.57 85.43

Figura . Curva de Calibración

EFECTO DEL pH

Tabla 3. Datos de la grafica para el % de Adsorción en la prueba 1

pH % Adsorción

4.02 86.9645.02 83.1076.01 82.2946.48 81.6857.00 81.8887.51 78.4378.00 79.4529.00 80.264

10.01 79.452

Efecto del pH (Prueba 1)

78.0

78.5

79.0

79.5

80.0

80.5

81.0

81.5

82.0

82.5

6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5pH

%A

dsor

banc

ia

Figura . Grafica Efecto del pH sobre el % de adsorbancia.

Prueba # 2 Tabla . Datos de experimentación de la segunda prueba realizada para la obtención del

% de adsorción a pH diferidos.

pH Abs Conc. CC mg/L F- % Adsorción

4.02 0.200 0.336 13.442 86.5585.02 0.188 0.397 15.878 84.1226.01 0.190 0.387 15.472 84.5286.48 0.180 0.438 17.503 82.4977.00 0.177 0.453 18.112 81.8887.51 0.166 0.509 20.345 79.6558.00 0.174 0.468 18.721 81.2799.00 0.172 0.478 19.127 80.873

10.01 0.167 0.504 20.142 79.858

Tabla. Datos de la grafica para el % de Adsorción en la prueba 2

pH % Adsorción

4.02 86.5585.02 84.1226.01 84.5286.48 82.4977.00 81.8887.51 79.6558.00 81.2799.00 80.873

10.01 79.858

Efecto del Ph (Prueba 2)

79.0

79.5

80.0

80.5

81.0

81.5

82.0

82.5

83.0

6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5pH

% A

dsor

banc

ia

Figura . Grafica Efecto del pH sobre el % de adsorbancia

IMPACTO

Actualmente el problema de contaminación del agua por la presencia de metales

pesados y arsénico en países en vías de desarrollo no se ha solucionado, ya que los

procesos convencionales para la remoción de estos contaminantes involucran

tecnologías y materiales sumamente caros.

Este estudio presenta la alternativa de utilizar para la remoción de arsénico un

material regional que actualmente no se le ha encontrado un aprovechamiento

integral, como es el caso de las zeolitas.