REDIELUZ ISSN 2244-7334 / Depósito legal pp 201102ZU3769 Vol. 4 Nº 1 Enero - Junio 2014: 44 - 48
I n v e s t i g a c i ó n T e c n o l ó g i c a
CLARIFICACIÓN DE AGUAS DE BAJA TURBIDEZ EMPLEANDO EL COAGULANTE Opuntia ficus-indica Water Purification Using the Low Turbidity Coagulant Opuntia ficus-indica Pablo Lameda, Carlos Negrelli, Carlos Hidalgo, Lorena Fuentes Programa de Ingeniería, Universidad del Zulia, Núcleo Costa Oriental del Lago. Laboratorio de Investigaciones Ambientales (LIANCOL). Cabimas 4013, Venezuela. Teléfono: (0264) 3716952. Celular: (0416) 1663821.
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Resumen
Abstract
La potabilización del agua cumple con varias fases, entre las cuales se encuentra la coagulación, la cual causa la coalescencia de material suspendido. Generalmente, se logra adicionando sustancias químicas al agua. Sin embargo, dado que algunas de estas sustancias se han asociado a problemas de salud como el mal de Alzheimer, diversos investigadores la estudian como alternativa coagulantes naturales obtenidos a partir de especies vegetales o animales. Por esta razón, se consideró clarificar aguas de baja turbidez emp emplean leando do el coa coagula gulante nte Opuntia ficus ficus-ind -indica ica. Este estudio se realiz realizó ó a escala laboratorio laboratorio preparando aguas sintéticas a valores de turbidez inicial de 30, 40 y 60 UNT, las cuales se caracterizaron fisicoquímicamente y se determinó las dosis óptimas del coagulante registrando resultados que revelaron datos en dos etapas que se clasificaron como antes y después de filtrar. En la primera etapa se obtuv obtuvieron ieron porcentaporcenta jes de remoción de turbidez entre 17,22% y 82,37%, y en la segunda etapa se obtuvieron porcentajes de remoción de turbidez entre 77,31% y 97,43 97,43%, %, unidades de color de 5,50 hasta 20,50 UC, el pH fluctúo entre 6,90 y 7,85 y la alcalinidad no presentó grandes variaciones, se registraron valores menores de 45 mgCaCO3/L, lo cual se ubicó dentro de lo permisible.
Water purification has several phases that include coagulation, which causes the coalescence of suspended material. Usually, this is achieved by adding chemicals to the water. However, given that some of these substances have been associated with health problem pro blemss suc such h as Alzh Alzheim eimer’ er’ss dis diseas ease, e, div divers erse e researchers are studying various alternative natural coagulants obtained from plant or animal species. For this reason, clarifying low turbidity waters using the coagulant Opuntia ficus-indica was considered. This study was carried out on a labora laboratory tory scale, preparing preparing synthetic waters with initial turbidity values of 30, 40 and 60 NTU; these were characterized physically and –chemically. Optimal coagulant doses were determined, min ed, rec record ording ing res result ultss tha thatt rev reveal ealed ed dat data a in two stages, classified as before and after filtering. In the first fir st sta stage, ge, tur turbid bidity ity rem remova ovall per percen centag tages es bet betwee ween n 17.22% 17. 22% and 82. 82.37% 37% were obt obtaine ained; d; in the second stage, turbidity removal percentages between 77.31% and 97.43% and color units of 5.50 to 20.50 UC were obtained. The pH fluctuated between 6.90 and 7.85. Alkalinity did not show large variations; values less than th an 45 mg mgCa CaCO CO3/ 3/L L we were re re reco cord rded ed,, wh whic ich h we were re within permissible limits.
Palabras clave: Coagulante, Opuntia ficus-indica, coalescencia, clarificación de las aguas.
Keywords: Coagulant, Opuntia ficus ficus-indi -indica ca, coa coales les-cence, water purification.
INTRODUCCIÓN Recibido: 15 / 12 / 2013. Aceptado: 22 / 01 / 2014
El agua es un recurso indispensable para los seres vivos, ya que sin ella los diferentes organismos, entre los cuales se encuentran las plantas, los anima-
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les y los seres humanos, no pudieran sobrevivir. Se aprovecha de distintas maneras, para uso doméstico, industrial, agrícola, ganadero, en la acuicultura, uso medicinal, deportivo y municipal. Con la finalidad de que el agua sea utilizada para diferentes actividades, entre ellas para el consumo humano, es necesaria la realización de una serie de tratamientos específicos que permitan obtener la clarid cla ridad ad vis visibl ible e y com compos posició ición n quí químic mica a ópt óptima ima par para a evitar repercusiones en el ámbito legal y de salud. Estos tratamientos pueden contemplar las fases de coagulación, gulació n, flocul floculación, ación, sedimentación, sedimentación, filtración y desinfección, entre otros (Fuentes et al ., ., 2011). La fase de coagulación es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado (Andía, 2000). El sulfato de aluminio, Al2(SO4)3, es el agente coagulante de mayor uso en Venezuela, al parecer en los últimos años la utilización de este producto está siendo sie ndo con contro trolada lada,, por ten tener er efe efecto ctoss pro probad bados os en cuanto a la corrosión de tuberías y accesorios, así como también perjuicios sobre la salud humana provocado voc adoss por alt altas as con concen centra tracio ciones nes de alu alumin minio io en aguas de consumo (Mendoza et al ., ., 2008). La revisión de estudios realizados expresa que el 68% de ést éstos, os, rel relaci aciona onaron ron la con concen centra tració ción n de aluminio con el desarrollo de la Enfermedad de Alzheimer (EA), 23,5% no presentaron datos conclusivos y 8,5% no establecieron ninguna relación. A partir de los resultados obtenidos se verifica que el aluminio interviene en diversos procesos neurofisiológicos responsables por la degeneración característica de la EA (Costa et al .,., 2008). Divers Div ersos os inv invest estiga igador dores es en el mu mundo ndo est estudi udian an como alternativa los coagulantes naturales. Con relación a este tipo de coagulantes se reportan los obtenidos de especies Stenocereus Stenocereus griseus (Fuentes et al ., ., 2011), Hylocereus 2008) 8),, Hylocereus lemaire lemairei i (Mendoza et al ., 200 Opuntia ficus- indica (González et al ., ., 2009), entre otros. Algunas especies vegetales han resultado eficientes para la potabilización de las aguas, por lo cual es conveniente realizar estudios cuidadosos acerca de la factibilidad de su uso como agentes coagulantes que sustituyan el sulfato de aluminio o se utilicen también como coadyuvantes, que al ser aplicados junto a este compuesto, disminuyan la cantidad requerida del mismo (Mendoza et al .,., 2008). Para ello, se consideró relevante desarrollar una investigació invest igación n utiliz utilizando ando como coagul coagulante ante alter alternativo nativo Opuntia ficus-indica, a fin de poder evaluar esta especie vegetal como coagulante-floculante en la potabilización de aguas con baja turbidez.
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MATERIALES Y MÉTODOS Recolección y preparación del agua sintética Las muestras de agua se recolectaron desde el grifo del laboratorio, ésta se acondicionó agregando una disolución de caolín (grado analítico) al 1% en agua destilada, preparada 72 horas antes de su utilización para garantizar garantizar la hidrat hidratación ación de las partículas partículas (Caldera et al ., ., 2007) y se obtuvieron los valores de turbidez deseados 30, 40 y 60 UNT.
Obtención del coagulante Los especímenes de Opuntia ficus ficus-indic -indica a (Fotografía 1) a partir de los cuales se extrajo el coagulante, fueron recolectados en el sector Delicias Nuevas de la Costa Oriental del Lago (municipio Cabimas, estado Zulia, Venezuela). Se eliminó la epidermis de los cladodios de O. ficus-indica y se separó el tejido parenquimatoso (Fuentes et al .,., 2011), Este parénquima se licuó durante 30 segundos en un procesador doméstico, se separó la parte sólida de la acuosa por medio de un lienzo de gasa y se agregó en agua para obtener una mezcla heterogénea mucilaginosa, de aproximadamente 30%.
Fruto
Cladodio Fotografía 1. Cladodios y frutos de Opuntia ficus-indica A partir de la suspensión de O. ficus-indica preparada se seleccionaron dosis de 50, 125, 250 y 500 ppm. También se utilizó una muestra como testigo para cada valor de turbidez en estudio, con el propósito de realiz realizar ar las compa comparacion raciones es una vez realizados cada uno de los ensayos (González et al .,., 2009).
Simulación del proceso de coagulación-floculación, coagulación-floculació n, sedimentación y filtración Las muestras de agua a turbiedades indicadas se colocaron en un equipo para la prueba de jarras, Modelo JLTG (Leaching Test Digital), a razón de un litro por vaso de precipitado (Fuentes et al .,., 2011).
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Pablo Lameda, Carlos Negrelli, Carlos Hidalgo, Lorena Fuentes Clarificación de aguas de baja turbidez empleando el coagulante Opuntia ficus-indica
El test de jarras consta básicamente de agitadores de velocidad variable que pueden crear turbulenturbulencia en 6 vasos simultáneamente, para realizar el ensayo se procedió a llenar cada vaso de precipitado con co n un lilitr tro o de ag agua ua si sint ntét étic ica a y se co colo loca caro ron n la lass muestras en el equipo de jarras, iniciando un mezclado rápido de 100 rpm durante 1 minuto (coagulación), un mezclado lento de 30 rpm durante 20 minutos (floculación) y una fase sin mezclar (0 rpm) durante 30 minutos (sedimentación). El número de revoluciones por minuto, así como el tiempo de agitación fue controlado con un sistema digital incluido en el equipo. Dicho Dic hoss en ensa sayo yoss se re real aliz izar aron on a un una a te temp mper erat atur ura a aproximada de 20°C±1 (González et al ., ., 2009). La filtración se realizó en embudos de vidrio con papel de filtro grado cualitativo, Double Rings, Nº 102, 125 mm (Fuentes et al .,., 2011).
Determinación de parámetros fisicoquímicos Los parámetros fisicoquímicos (pH, turbidez, color y alc alcalin alinida idad) d) se eva evalua luaron ron por tri triplic plicado ado en el agua sintética, y en las muestras de agua tratadas con el coagulante (antes y después de la filtración); para esto último se tomaron alícuotas del sobrenadante en cada vaso del equipo de jarras (Fuentes et al ., ., 2011). Para determinar la turbidez en las muestras de agua sintética se empleó un turbidímetro Micro 100, calibrado con soluciones estandarizadas de formazina (1000; 10,0 y 0,02 UNT). La medición del pH se efectuó con un potenciómetro modelo Orion 3 Star que se calibró con soluciones buffer de 4,01 y 7,00 en la escala de pH. Para la determinación del color se utilizó un colorímetro Orbeco-Hellige el cual cuenta con tres discos comparadores de platino-cobalto de diferentes escalas que permiten registrar valores de color desde 0 UC hasta 100 UC (González et al ., ., 2009). La alcalinidad se determinó mediante el método volumétrico, basado en la realización de titulaciones con ácido sulfúrico 0,02 N, usando como indicador anaranjado de metilo y se expresó en mg CaCO3/L (González et al .,., 2009).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Evaluación del parámetro turbidez Para una turbidez inicial de 30 UNT se obtuvieron porcentajes de remoción entre 17,22% y 73,86% antes de filtrar, y una dosis óptima de 125 ppm. Después de filtrar, se obtuvo un porcentaje de remoción de turbidez máximo de 94,12% equivalente a una turbiedad de 1,764 UNT. Lo descrito anteriormente se observa en la Figura 1.
Gráfico 1. Remoción de turbidez al aplicar el coagulante derivado de O. ficus – indica para una turbidez inicial de 30 UNT . Fuente: Elaboración propia (2014).
Para una turbidez inicial de 40 UNT se obtuvieron porcentajes de remoción de turbidez entre 34,5% y 70,89% antes de filtrar, y una dosis óptima de 125 ppm. Después de la filtr filtración, ación, se obtuvo un porcenta je de remoción de turbidez máximo de 94,31% equivalente a una turbiedad de 2,276 UNT. Lo descrito anteriormente se observa en el Figura 2.
Gráfico 2. Remoción de turbidez al aplicar el coagulante derivado de O. ficus – indica para una turbidez inicial de 40 UNT. Fuente: Elaboración propia (2014).
Para una turbidez inicial de 60 UNT se obtuvieron po ron porc rcen enta taje jess de re remo moci ción ón de tu turb rbid idez ez en entr tre e 11,39% y 82,37% antes de filtrar, y una dosis óptima de 125 ppm. Después de filtrar, se obtuvo un porcentaje de remoción de turbidez máximo de 97,43% equivalente a una turbiedad de 1,542 UNT. Lo descrito anteriormente se observa en el Figura 3. El coagulante se comportó de manera similar para la turbidez inicial de 30, 40 y 60 UNT, a medida que se aumentaba la dosis disminuía el porcentaje de remoción de turbidez, sin embargo, los datos reflejan que a medida que aumenta la turbidez mejor es la remoción del coagulante. La dosis óptima fue de 125 ppm y se llegaron a obtener valores de turbidez por debajo de 5 UNT que es el valor máximo aceptable por la norma.
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Tabla 2. Unidades de color antes y después del filtrado al aplicar coagulante obtenido a partir de O. ficus-indica AF: Antes de filtrar / DF: Después de filtrar
Gráfico 3. Remoción de turbidez al aplicar el coagulante derivado de O. ficus – indica para una turbidez inicial de 60 UNT. Fuente: Elaboración propia (2014).
Evaluación del parámetro pH Los valores obtenidos para las distintas dosis aplicadas del coagulante colocaron el rango del pH antes de filtrar entre 6,90 y 7,82 y después de filtrar entre 6,90 y 7,85, lo anteriormente dicho se observa en la tabla 1. Esto indica que al aplicar el coagulante no se altera este parámetro y se cumple con las Normas de Calidad del Agua de Venezuela, que indica que el valor de pH debe oscilar entre 6,5 y 8,5 unidades (González et al .,., 2009).
Tabla 1. Valores de pH antes y después del filtrado al aplicar el coagulante obtenido a partir de O. ficus-indica AF: Antes de filtrar / DF: Después de filtrar Turbidez inicial (UNT) 30 40 60
pH AF
pH DF
7,56 – 7,82 6,90 – 7,14 7,06 – 7,40
7,76 – 7,85 6,90 – 7,15 7,14 – 7,15
Fuente: Elaboración propia (2014).
Evaluación del parámetro color Los resultados obtenidos reflejan que a través de la suspensión de O. ficus-indica se lograron obtener valores de 10,50 hasta 41,50 UC antes de filtrar y de 5,50 hasta 20,50 UC después de filtrar, cumpliéndose en general con lo establecido en la Norma de Calidad de Agua de Venezuela que establece que el agua debe tener 15 UC o menos (Fuentes et al ., ., 2011). Sin embargo, no se obtuvieron valores aceptables según la norma al aplicar las dosis 500 ppm (30 UNT), 50 ppm (60 UNT), 125 ppm (60 UNT).
Turbidez inicial (UNT) 30 40 60
Colo Co lorr AF (U (UC) C)
Colo Co lorr DF (U (UC) C)
10,50 – 36,50 21,50 – 36,50 21,50 – 41,50
5,50 – 20,50 8,00 – 9,00 10,00 – 18,00
Fuente: Elaboración propia (2014).
Evaluación del parámetro de alcalinidad En general, el parámetro alcalinidad no presentó grandes variaciones, se registraron valores menores de 45 mgCaCO3/L, los cuales se ubicaron dentro de lo permisible, ya que éste es aceptable hasta 140 mg CaCO3/L según (Doudelet, 1981 citado por: González ., 2009). et al .,
Tabla 3. Nivel de alcalinidad antes y después del filtrado al aplicar coagulante obtenido a partir de O. ficus-indica AF: Antes de filtrar / DF: Después de filtrar Turbidez inicial (UNT) 30 40 60
Alcalinidad AF (mg CaCO3/L) 29,33 – 34,67 8,33 – 11,00 8,00 – 8,67
Alcalinidad DF (mg CaCO3/L) 30,00 – 42,00 5,00 – 6,67 5,00 – 6,33
Fuente: elaboración propia (2014).
En cada uno de los ensayos realizados se observó la alta efectividad que posee O. ficus - indica como coagulante natural en la clarificación del agua, ya que con todas las dosis aplicadas a las muestras de agua con baja turbi turbidez dez inicial, se lograr lograron on remover eficientemente la turbidez, manteniendo el pH, el color y la alcalinidad en valores aceptables. A través de los artículos referentes a coagulantes naturales aplicados a la potabilización del agua, se lograron obtener los resultados que se observan en la Tabla 4. Se observa que el máximo porcentaje de remoción ci ón de tu turb rbide idezz ob obte tenid nido o en es esta ta in inve vest stiga igaci ción ón (97,43%), es similar a los obtenidos con Stenocereus griseus (Haw.) Buxb y O. cochinellifera (L.) Mill. (Cactaceae) con valores de baja turbidez, al igual que O. ficus – indica (L.) Mill. (Cactaceae) y Opuntia wentiana (Britton & Rose) / (Cactaceae) con valores de alta turbidez (Fuentes et al., 2012).
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Pablo Lameda, Carlos Negrelli, Carlos Hidalgo, Lorena Fuentes Clarificación de aguas de baja turbidez empleando el coagulante Opuntia ficus-indica
Tabla 4. Resultados de investigaciones utilizando coagulantes naturales en la clarificación de aguas Coag Co agul ulan ante te Stenocereus griseus (Haw.) Buxb Opuntia ficus indica (L.) Mill. (Cactaceae)
Auto Au torr (e (es) s)
Condic Cond ició ión n Turbidez inicial % de remoción pH del agua UNT de turbidez Fuentes y Agua 20, 30, 40, 50, 69,27 - 96, 46 5,97 - 7,02 col., 2011 cruda 60, 70, 80, 90 y (DF) (DF) 100 Olivero y col., Agua 276 92,39 - 93,25 6,63 - 6,97 2013 cruda (AF) (AF)
Color (UC) 5 - 17,5 (DF)
Alcalinidad (mg CaCO3 /L) 14,01 - 25,91 (DF)
——
——
Opuntia ficus indica (L.) Mill. (Cactaceae)
González y col., 2009
Agua sintética
100, 120, 140, 160, 180 y 200
97,64 - 99,20 (DF)
6,78 - 7,23 (DF)
0 - 10 (DF)
Opuntia wentiana (Britton & Rose) / (Cactaceae)
Parra y col., 2011
Agua cruda
100, 120, 160, 180 y 200
91, 82 - 98, 34 7,01 - 7,69 (DF) (DF)
50 - 80 (DF)
Valores menores de 40 (DF) 35,33 - 48,00 (DF)
Opuntia cochinellifera (L.) Mill. (Cactace)
Fuentes y col., 2012
Agua cruda
20,, 40 20 40,, 60 y 80
86,1 86 ,10 0 - 93 93,9 ,90 0 (DF)
5 - 10 (DF)
15,33 - 23,33 (DF)
5,95 - 6,24 (DF)
Fuente: Elaboración propia (2014).
CONCLUSIONES La tuna Opuntia ficus – indica representa una alternativa terna tiva como coagulante durante la potab potabilizaci ilización ón de las aguas con valores de turbidez de 30, 40 y 60 NTU. El coa coagul gulant ante e pre presen sentó tó may mayor or efi eficie cienci ncia a des des-pués del proceso de filtración.
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