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TITULO: ESTUDIO DE LA PENCA DE TUNA ( Opuntia Picus), COMO FLOCULANTE NATURAL, PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS. JOSE LUIS MALAGA TEJADA
I.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA : El estudio de tratamiento de agua surge como una necesidad a raíz de su potabilizacion atizándose atizándose muchas tecnologías en su tratamiento, tratamiento, ya sea por los primer primeros os métod métodos os electr electroma omagné gnétic ticos os luego luego hidráu hidráulic licos, os, surgie surgiendo ndo en este este ulti ultimo mo méto método do la coag coagul ulac ació ión n y
flocu flocula laci ción ón;; tecn tecnol olog ogía ía que que ayud ayuda a a la
captación, formación y sedimentación de floculos, a partir de polielectrolito siendo los mas conocidos el sulfato de aluminio y ferroso. Existiendo además de estos estos los políme polímetro tross sintét sintético icoss y natura naturales les.. Los políme polímetro tross sintét sintético icoss o flocu flocula lant ntes es sint sintét étic icos os,, en su mayo mayorí ría a fabr fabric icad ados os con con monó monóme mero ross de alta alta toxici toxicidad dad;;
como como el silicato silicato de sodio sodio activad activado. o. Los Los políme polímetro tross natura naturales les o
floculantes naturales obtenidos de las síntesis de plantas, como sus proteínas, carb carbo ohidra idrato toss y gluc lucósid ósidos os;; por no tene tenerr una una tox toxicid icida ad casi asi nula ula y biodegrad biodegradable able y en muchos muchos casos comestible comestibles. s. La tuna requiere un estudio estudio para su posible tratamiento como tal además de ser una planta netamente nativa de la región, cuyo estudio en la región aun no esta desarrollado. Flocu Floculan lantes tes como como el sulfat sulfato o de alumin aluminio io y ferros ferroso o son son los mas utiliz utilizado adoss mundialmente y por ende en el país y al región utilizados por su alta efectividad en el barrido barrido de los floculos floculos,, surgie surgiendo ndo el problem problema a de su alto costo costo en el mercado local siendo estos productos importados de otras zonas del país y muc muchas has vece vecess del del merc mercad ado o inte intern rnac acio iona nal; l; teni tenién éndo dose se aquí aquí una una de las las principales causas del elevado costo que implica la potabilizacion del agua. También tenemos que expresar nuestra preocupación, ya que en la región Puno cuenta con muchos muchos distritos y comunidades comunidades alejadas de la ciudad donde no llega el servicio de agua agua potable; algunos de estos estos distritos no cuentan con los los recu recurs rsos os econ económ ómic icos os para para su cons constr truc uccción. ión. Teni Tenien endo do adem además ás el desconocimiento de la población de estos sectores sobre el tratamiento directo del tratamiento de aguas.
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La agricultura es una de las principales actividades de la región, no teniéndose muchos sembríos de tuna ni difundido entre los agricultores y campesinos de la región Puno. Bas Basado ados
en
los los
plant lante eami mie entos ntos
anter nterio iore ress
ten tenemos emos
las las
sigu iguient ientes es
interrogantes:
•
¿Será posible obtener de la penca de tuna un floculante natural para el tratamiento de agua?
•
¿Cuál es el rendimiento del floculante natural de penca de tuna comparado con los floculantes tradicionales?
•
¿Es posible optimizar el tratamiento del floculante natural de penca de tuna con algún otro flocúlate?
II.- ANTECEDENTES : (Robles, 2006).Determino que la contaminación y la escasez de agua son problemas de gran importancia en el ámbito mundial. La ciudad de Querétaro, México, no es la excepción. En el tratamiento de aguas existe el proceso fisicoquímico que involucra coagulantes y floculantes para eliminar partículas en suspen suspensió sión n (Andía (Andía,, 2000). 2000).El El sulfa sulfato to de alumin aluminio io es el coagul coagulant ante e mas utilizado por dar mejores resultados. Esta investigación tuvo como objetivo, reducir el sulfato de aluminio combinado con floculantes naturales como el nopa nopall (cla (clado dodi dio o de opun opunci cia) a) para para el trat tratam amie ient nto o acor acorde de con con las las norm normas as mexicanas y reducción de su costo. Usando agua de la presa de Batan, ubic ubicad ada a en la ciud ciudad ad de Quer Querét étar aro, o, Méxi México co.. Se dete determ rmin ino, o, temp temper erat atur ura, a, turbiedad y pH. Posteriormente se realizaron pruebas de jarras variándose la concentración de sulfato de aluminio y cladodio de nopal. Seguidamente, se analizo nuevamente turbiedad y pH. De los resultados obtenidos se destaca que la combinación de sulfato de aluminio y de nopal disminuye la turbiedad de 40.6 a 4.86 UNT (Unidades nefelometricas de turbiedad), los que cumple con
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las normas oficiales mexicanas: NOM_201-SSA1-2002 y NOM-127-SSA11994. (Almendárez, 2003).Planteo que al inicio de la década de los 70 de este siglo, en varios países latinoamericanos se adoptó la tecnología de tratamiento de agua potable para países en vías de desarrollo. Se propuso la utilización de coagulantes naturales de cada región que pudieran en parte o en su totalidad, disminuir el consumo de los reactivos químicos importados. Sin embargo la toxicidad de los polielectrolitos sintéticos debe investigarse y someterse a un exigente control de calidad, pues a veces los monómeros utilizados en la producción de polímeros son tóxicos. En cambio la toxicidad de los polímeros naturales es por lo general mínima o nula; pues se les usa en muchos casos como comestibles. De lo anterior se desprende la importancia del desarrollo de esta línea de investigación, obteniéndose resultados satisfactorios en esta primera etapa. (Cardoso 2003).Describe una nueva aplicación de los polímeros derivados del quitosano parcialmente hidrolizado (> al 75%) como floculantes para tratamiento de aguas residuales contaminadas con hidrocarburos y más específicamente, con aguas residuales de los negocios de lavado de autos. La floculación es útil en el proceso de clarificación de aguas potables y de origen industrial. Las ventajas de estos polímeros naturales como floculantes son: menor formación de lodos, no se requiere un ajuste drástico del pH, forman agregados más grandes y compactos, se forman más rápidamente, la concentración de sales permanece baja y, finalmente, por ser polímeros naturales, son biodegradables y no afectan a los ecosistemas. Las aguas generadas en los autolavados son de difícil tratamiento, ya que contienen grasas (tanto emulsionadas como libres), detergentes, ceras, tierra, metales disueltos, entre otros. (Rodríguez 1994). Expresa que los residuos líquidos producto de la perforación están constituidos por lodos, grasas, aceites y eventualmente aguas lluvias. Estos residuos hasta la presente, han sido tratados con Sulfatos de Aluminio y polímeros industriales como coagulantes-floculantes. Con el propósito de reemplazarlos por productos naturales se realizaron ensayos de Laboratorio
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que permitieron compara el comportamiento y rendimiento de estos frente a los productos tradicionales. El presente estudio tiene como objetivo optimizar el tratamiento de las aguas industriales provenientes del proceso de perforación con el fin de disminuir el número y el dimensionamiento de las piscinas de lodos convencionales, utilizando productos naturales y algunos polímeros suministrados por firmas encargadas de comercializarlos o aplicarlos directamente en campo. Para evaluar la eficiencia del tratamiento se realizaron ensayos de laboratorio, mediante pruebas de jarra. En este análisis se apreciaron las características del Zumo de Fique como coagulante-floculante, así como las propiedades clarificantes del cristal de sábila en tratamientos con Sulfato de Aluminio. Se probaron otros productos tales como Harinas de Nuez y Haba, Zumos de Papaya y Durazno y Almidones de Papa y Yuca son obtener ningún resultado satisfactorio. (Rios 2006).Describe la obtención del sulfato de quitosano (SQ), mediante la codificación química del quitosano (Q). El SQ fue caracterizado por FTIR, RMN-13C, análisis elemental y valoración potenciométrica. Con este método de síntesis se obtuvo una sustitución selectiva de los grupos hidroxilo del C6 el quitosano, dejando sin sustituir los grupos amino. El producto obtenido fue utilizado para el tratamiento de coagulación- floculación de suspensiones modelo de partículas coloidales aniónicas de caolinita. El sulfato de quitosano presenta buenas propiedades de solubilidad y demostró ser un buen coagulante-floculante en medios ácidos. (Larez 2006). Muestra de una manera clara y sencilla la facilidad de producir y aplicar dos polímeros naturales muy antiguos en lo que se refiere a su aparición en la tierra pero muy actuales en cuanto a sus posibilidades de aplicación: la quitina y el quitosano. Las aplicaciones que se describen son solamente algunas de la amplia gama posible, mostrándose éstas debido a la utilidad que pudieran tener en el desarrollo de áreas vitales en el país como: agricultura (protección de semillas, liberación controlada de fertilizantes, funguicidas, etc.), tratamiento de aguas (floculantes, coagulantes, agentes de desmetalización, pesticidas, etc.) medicina (producción de glucosamina, cremas cicatrizantes, etc.), cosméticos (adelgazantes, agente hidratante,
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aditivo, champúes, etc.) y biosensores (para agentes patógenos en alimentos, para especies tóxicas en aguas residuales, etc.). (Montaño 1989). Describe la obtención de coagulantes a partir de productos naturales que sustituyen a los polielectrolitos sintéticos en su aplicación para el tratamiento del agua. Desarrolla los pasos para su obtención desde productos naturales, como la tuna, flamboyant y almidones, describiendo sus características y propiedades. Destaca la efectividad de los coagulantes naturales durante el proceso de floculación. Determina la forma de aplicación de los coagulantes para lograr un adecuado tratamiento del agua para consumo humano.
III.- JUSTIFICACION: El estudio de la penca de tuna, como un posible polímero natural surge a partir de buscar nuevas sustancias químicas naturales que no sean toxicas para el tratamiento de agua en su etapa de coagulación-floculación. Innovando en este campo de sustitución o de combinación de este posible polímero natural conjuntamente con algunos floculantes tradicionales en la región Puno. El uso de los floculantes comerciales mas conocidos mundialmente tales como el sulfato de aluminio se encuentra en el mercado local a S/. 120-140 la bolsa por 40Kg y el sulfato ferroso S/. 80-100 la bolsa por 40Kg; teniendo que utilizarse grandes cantidades de estos floculantes para el tratamiento de coagulación-floculación. Por ello el floculante natural de penca de tuna aparece como una alternativa ya sea para sustituir o acompañar a los floculantes tradicionales utilizados en la región. En las zonas alejadas de la región Puno el abastecimiento de agua potable no llega a todas las comunidades y distritos alejados, donde el desconocimiento del tratamiento, es así que surge la posibilidad de que este floculante natural sea utilizado como un pre-tratamiento en estas zonas para su consumo diario de agua de la población. La región puno se caracteriza por ser netamente una zona agrícola y es por ello que en la posible industrialización
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IV.- FUNDAMENTO TEÓRICO: 4.1 LA TUNA : 4.1.1 Taxonomía de la Tuna. REINO:
SUBREINO:
FAMILIA:
SUBFAMILIA: SUBCLASE:
Vegetal ORDEN:
Embryophita GENERO:
Cactaceae DIVISION:
Opuntia.
Opuntiales
Opuntioidea
Angiospermae Dycotyledonea Opuntiae
CLASE:
Dialipetalas TRIBU:
e
Referencia histórica: Originaria América, fue llevada por los españoles a Europa y desde allí distribuida hacia otros países del mundo. Los principales productores mundiales son Méjico, Italia, España, el norte de África, Chile y Brasil, país donde se la cultiva sólo para forraje. En nuestro país, los frutos se destinan al consumo humano, tanto en forma fresca como para la elaboración de productos regionales. Las pencas son utilizadas como forraje y para el cultivo de cochinilla. (Millar, 1999)
Utilización: - Alimentos: en escabeche, sopas, panes, postres y mermeladas. - Cosméticos: shampoo, enjuagues, acondicionadores y cremas limpiadoras y humectantes. - Productos medicinales: los tallos o pencas, si se consumen 1,500 grs. en 10 días, son excelentes para combatir la diabetes al reducir en promedio: Colesterol 31.0 mg/dll Triglicéridos 93.5 mg/dll Glicemia 4.0 mg/dll. (Miller.)
Cuadro 1. Exportaciones De Tuna Y Sus Derivados 1999 - Mayo 2004 Año 1999 2000 2001 2002 2003 Ene-May 2003
Valor Fob US$
Volumen
Valor unitario
Variación %
Promedio 2/US$ / KG 2.9 2.3 3.4 3.3 1.6 1.4
Valor FOB
5,486 14,344 49,612 48,948 3,879 1,593
Kgs Bruto 1,874 6,372 14,758 14,974 2,374 1,163
161.5 245.9 -1.3 -92.1
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Ene-May 2004
93,766
29,137
3.2
Figura 1: Valor unitario promedio: Precio estadístico referencial.
Fuente: SUPERINTENDENCIA NACIONAL DE ADMINISTRACION TRIBUTARIA Elaboración: BIOCOMERCIO PERU / PROMPEX
4.2 Procesos De Tratamiento Del Agua. En la antigüedad el agua usada era simplemente arrojada al suelo y el manejo de las excretas se efectuaba, en forma separada, junto con la basura. La invención de los excusados, en el siglo XIX, cambió drásticamente esta situación y originó que la gran cantidad de agua residual generada se transportara en forma conjunta con el agua pluvial. La depuración se consideró necesaria cuando se rebasó el límite de auto depuración y hubo problemas notorios en los cuerpos receptores. Se inició a finales del Siglo XIX con bases puramente empíricas y es hasta 1930 cuando se inicia un desarrollo metódico. (Jiménez, 1999) Si observamos como fue el desarrollo del tratamiento de aguas en el mundo veremos que en 1833 en Inglaterra se construyo el sistema de canalización, y un poco mas tarde en Hamburgo, Alemania, 1843, y en Kiev 1893. Y fue en
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Inglaterra en 1861 cuando se empezaron hacer normas para el control del tratamiento de aguas residuales (Karrelin, 1975).
4.2.1 Tipos De Procesos De Tratamiento De Agua: Para el tratamiento de el agua,
generalmente
es
preciso
combinar
varios
tratamientos
elementales, cuyas bases pueden ser físicas, mecánicas, químicas o biológicas, y cuyo efecto es el de eliminar en primer lugar las materias en suspensión, a continuación las sustancias coloidales, y después las sustancias disueltas (minerales u orgánicas). (Tchnobanoglous, 2000)
Figura 2.Esquema general de tratamiento de aguas.
Influente Rejillas
Desarenador
Sedimentador primario
Proceso BIOLÓGICO
Proceso FÍSICO-QUÍMICO Proceso FÍSICO-MECÁNICO Proceso
Sedimentador secundario
DESINFECCIÓN
Efluente
Fuente: (Tchnobanoglous. 2000)
•
Procesos Físico-Mecánicos.
•
Procesos Biológicos.
•
Proceso Físico-Químicos.
•
Procesos De Desinfección .
4.2.1.1
Tratamiento Fisicoquímico: Floculación Y Coagulación:
La turbiedad y el color del agua son principalmente causados por partículas muy pequeñas, llamadas partículas coloidales. Estas partículas permanecen en suspensión en el agua por tiempo prolongado y pueden atravesar un medio filtrante muy fino. Por otro lado aunque su concentración es muy estable, no presentan la tendencia de
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aproximarse unas a otras. Para eliminar estas partículas se recurre a los procesos de coagulación y floculación, la coagulación tiene por objeto desestabilizar las partículas en suspensión es decir facilitar su aglomeración. En la práctica este procedimiento es caracterizado por la inyección y dispersión rápida de productos químicos. La floculación tiene por objetivo favorecer con la ayuda de la mezcla lenta el contacto entre las partículas desestabilizadas. Estas partículas se aglutinan para formar un floc que pueda ser fácilmente eliminado por los procedimientos de decantación y filtración. (Andía, 2000). A continuación se explicara las propiedades de las partículas coloidales y posteriormente el proceso de coagulación y floculación.
Partículas En Suspensión: El agua consta de tres tipos principales de impurezas: físicas, químicas y biológicas. Desde el punto de vista físico se puede hablar que los sólidos totales, que son impurezas del agua, se clasifican de acuerdo a su tamaño. El cuadro 2 indica los tiempos de decantación de las diferentes partículas en función de: sus dimensiones y densidad. (Andía, 2000)
Cuadro 2. Características de las partículas sólidas Tipo de partícula Diámetro (mm) Grava Arena gruesa Arena fina Lodo fino Bacterias Coloides
10 1.0 0.1 0.01 0.001 0.0001
Tiempo de caída Densidad 2.65 Densidad 1.1 0.013 s. 0.2 s. 1.266 s. 20.9 s. 126.66 s. 34.83 min. 3.52 h. 58 h. 14.65 d. 249.1 d. 4.12 a. 66.59 d.
Fuente: Andía Cárdenas Yolanda. (2000). Tratamiento de agua, coagulación y floculación. Lima, Perú. SEDAPAL.
Como se observa en el cuadro 2 los coloides son partículas tan pequeñas (su diámetro varía entre 1 y 100 nm) que no sedimentan por la simple acción de la gravedad, pero estas pueden removerse del agua mediante el proceso de coagulación y floculación.
Las partículas coloidales , son las causantes de la turbiedad y del color por lo que el tratamiento del agua está orientado a la remoción de estas partículas; estas poseen normalmente una carga eléctrica negativa
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situado sobre su superficie. Estas cargas llamadas cargas primarias, atraen los iones positivos del agua, los cuales se adhieren fuertemente a las partículas y atraen a su alrededor iones negativos acompañados de una débil cantidad de iones positivos. (Figura 3). (Romero, 1999)
Figura 3. Doble capa de una partícula coloidal.
Fuente: Romero Rojas Jairo Alberto. (1999). Calidad del agua. México
4.2.1.2 Proceso De Coagulación: La coagulación por definición, es el fenómeno de desestabilización de las partículas coloidales, que puede conseguirse especialmente por medio de la neutralización de sus cargas eléctricas. Se llama coagulante al producto utilizado para esta neutralización. (Andía, 2000) En la siguiente figura 4 se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas de la superficie del coloide permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos.
Figura 4. Coagulación. Fuente: Romero Rojas Jairo Alberto. (1999). Calidad del agua. México.
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4.2.1.2.1
Mecanismos
de
la
coagulación :
La
desestabilización de las partículas coloidales se puede obtener por los mecanismos fisicoquímicos siguientes: •
Comprensión de la doble capa.
•
Adsorción y neutralización de cargas.
•
Atrapamiento de partículas en un precipitado.
•
Adsorción y puente químico.
4.2.1.2.2
Tipos de coagulación: Se presentan dos tipos
básicos de coagulación: por adsorción y por barrido.
a)
Coagulación por adsorción:
Se presenta
cuando el agua tiene una alta concentración de partículas al estado coloidal; cuando el coagulante es adicionado al agua turbia los productos solubles de los coagulantes son absorbidas por los coloides y forman los flóculos en forma casi instantánea.
b)
Coagulación
por
barrido:
Este
tipo
de
coagulación se presenta cuando el agua es clara (presenta baja turbiedad) y la cantidad de partículas coloides es pequeña; en este caso las partículas son entrampadas al producirse una sobresaturación de precipitado de floculante.
Cuadro 3: Clasificación del Agua Según su Comportamiento en la Coagulación
Fuente: Andía Cárdenas Yolanda. (2000). Tratamiento de agua, coagulación y floculación.
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4.2.1.2.3
Factores
que
influyen
la
coagulación:
A
continuación se explicarán los factores que afectan el proceso de coagulación son: (Amirthrajah 1987) •
Influencia del pH
•
Influencia de sales disueltas
•
Influencia de la temperatura del agua
•
Influencia de la dosis de coagulante:
•
Influencia del mezclado:
•
Influencia de la turbiedad:
4.2.1.2.4
Tipos
de
coagulantes:
Los coagulantes son
productos químicos que al adicionar al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado
voluminoso,
muy
absorbente,
constituido
generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando. Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y producir el floc son: sulfato de aluminio, sulfato ferroso y cal, cloruro férrico, sulfato férrico, aluminato de sodio y cal. (Degremon, 1996).
El sulfato de aluminio es el coagulante estándar mas usado en tratamiento de aguas. El producto comercial tiene usualmente la fórmula Al2(S04)3•14H20 con masa molecular de 600. El material es empacado en diversas formas: en polvo, molido, en terrones, en granos parecidos al arroz y en forma líquida. Cuando se añaden soluciones de sulfato de aluminio al agua, las moléculas se disocian en Al+++ y SO4. El Al+++ puede combinarse
con
coloides
cargados
negativamente
para
neutralizar parte de la carga de la partícula coloidal, reduciendo así el potencial zeta a un valor en que la unión de las partículas puede ocurrir. El Al+++ puede también combinarse con los OHdel agua para formar hidróxido de aluminio.
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Cuadro 4. Sustancias químicas usadas para coagulación.
Densidad Kg/m3
Solubilidad Kg/m3
Concentración Comercial %
Sulfato de aluminio Al2(SO4)3.14H2O
609-721 961-1009 993-1073 1.2 kg/L
303 (16°C)
15-22 (Al2O3)
Cloruro Férrico FeCl3
1009
Total
37-47 (FeCl3)
Nombre y fórmula
59-61 (FeCl3) 20-21 (Fe)
FeCl3.6H2O
FeCl3 Sulfato Férrico Fe2(SO4)3.9H2O Sulfato ferroso FeSO4.7H2O Sulfato de aluminio amoniacal Al2(SO4)3.(NH4)2 SO4.24H2O
-
-
-
-
1121 1009-1057
1025-1029 993 1041 961 993-1073 Sulfato de aluminio 961-1041 potásico 961
pH = 3.4 en solución al 1%
Higroscópico, se almacena en recipientes herméticos, no se dosifica en seco, pH óptimo 4.11
98 (FeCl3) 34 (Fe)
Soluble en 90-94 Fe2(SO4)3 2-4 partes 25-26 (Fe) de agua fría 55 (FeSO4) 20 (Fe) 36 (0°C) 995 (100°C) 11 (Al2O3) 60 (0°C) 120 (20°C) 168 (30°C)
Características
10-11 (Al2O3)
Semihigroscópico coagulante a pH = 3.511.0 Higroscópico, pH óptimo 8.5-11.0 pH = 3.5 en solución al 3.5% pH = 3.5 en solución al 3.5%
Fuente: Romero Rojas Jairo Alberto. (1999). Calidad del agua. México
4.2.1.2.5
Dosificación de Coagulante versus turbiedad y
pH: Los coagulantes metálicos (alumbre: Al 2(SO4)3.14H2O y sales
de hierro), han sido los más empleados en la clarificación del agua. Estos productos actúan como coagulantes y floculantes a la vez. Añadidos al agua forman especies cargadas positivamente en el intervalo de pH típico para la clarificación que va entre 6 y 7. Como ya se vio esta reacción produce aluminio gelatinoso insoluble o hidróxido férrico. Los coagulantes metálicos son muy sensibles al pH y a la alcalinidad.
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4.2.1.3 Proceso De Floculación: La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar (Nalco 1989).
4.2.1.3.1
Tipos
de
floculación:
La
floculación
puede
presentarse mediante dos mecanismos: floculación ortocinética y pericinética,
según
sea
el
tamaño
de
las
partículas
desestabilizadas (en general todas las partículas se ven afectadas por ambos mecanismos). Las partículas pequeñas (<1μm) están sometidas a floculación pericinética, motivada por el movimiento browniano, mientras que las que presentan un tamaño mayor, están afectadas principalmente por el gradiente de velocidad del líquido, predominando en ella la floculación ortocinética.
Floculación ortocinética: Esta producido por el movimiento natural de las moléculas del agua y esta inducida por la energía térmica, este movimiento es conocido como el movimiento browniano. Capm y Stein propusieron un esquema para comprender mejor la expresión de gradiente de velocidad ‘G’.
Floculación pericinética: Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, el que es inducido por una energía exterior a la masa de agua y que puede ser de origen mecánico o hidráulico. Después que el agua es coagulada es necesario que se produzca la aglomeración de los microflóculos; para que esto suceda se produce primero la floculación pericinética luego se produce la floculación ortocinética.
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4.2.1.3.2
Parámetros de la floculación :
•
Floculación Ortocinética
•
Gradiente de Velocidad
•
Número de colisiones:.
•
Tiempo de retención:
•
Densidad y tamaño de floc.
•
Volumen de lodos
(Andía, 2000).
4.2.1.3.3
Tipos de floculantes: Los floculantes son polímeros
o polielectrolitos con pesos moleculares muy elevados moléculas orgánicas solubles en agua formadas por bloques denominados monómeros, repetidos en cadenas largas según su origen los floculantes se clasifican es dos grandes grupos: Polímeros naturales y polímeros sintéticos.
Polímeros naturales: Son los que se producen en las reacciones bioquímicas naturales de animales y plantas, tales como proteínas, carbohidratos y polisacáridos (almidón, glucósidos). Muchos de estos componentes tiene propiedades coagulantes o floculantes y son usados por los nativos en forma empírica para clarificar el agua, como pasa con la penca de la tuna o nopal (que se emplea en las sierras del Perú y en Méjico) o con las semillas del nirmalí (utilizado en la India). En el cuadro 5 se da los nombres de algunas de estas substancias.
Cuadro 5. Polímeros naturales que tienen propiedades coagulantes o floculantes Nombre Común Alginato de sodio Tuna Almidones Semillas de nirmali Algarrobo Gelatina común Carboximetil celulosa
Algas
Se extrae de pardas
Parte de donde se obtiene marinas
{Phaeophiceae) Opuntia ficus indica
Maíz Papa Yuca Trigo Strychnos potatorun
Quebracho, acacia o algarrobo Schinopsis Lorentzii
Animales Arboles
Toda la planta Las hojas El grano o el tubérculo Las semillas Corteza del árbol Residuos animales Huesos Corteza del árbol
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Goma de guar
Cyanopsis psoralioides
Semillas
Polímeros sintéticos: Son compuestos orgánicos producidos por medio de la transformación química de derivados del carbón y del petróleo. Incluye la mayoría de los polímeros manufacturados por la industria y de mayor venta comercialmente. Muchos, aunque no todos, se encuentran en forma de polvo seco. Otros son líquidos con concentraciones del 10% al 60% de polímeros activos. Packman considera que el 90% de ellos tienen como monómero básico la acrilamida. La poliacrilamida es típicamente un polímero no iónico que puede manejarse en forma muy variada. Esto tiene la ventaja de que permite sintetizar una gran variedad de compuestos, con distintas propiedades y aplicaciones (Arboleda 2000).
4.2.1.4 Técnicas de control de la floculación – coagulación: La coagulación-floculación del agua constituye el proceso básico que determina en gran parte las condiciones de operación de la planta de tratamiento. De ella depende la eficiencia que se pueda obtener. Por lo que se requiera que exista un cuidadoso control en todo este proceso. Prueba de jarras : La prueba de jarras se realiza de la siguiente
manera: Determinar la temperatura del agua cruda, el color, la turbiedad, el pH y la alcalinidad. También el hierro y/o el manganeso si son significativos. Añadir los coagulantes al agua en dosis progresivas en cada vaso de precipitado en cualquiera de las tres formas siguientes: Se coloca el agua de la muestra en las 6 jarras, las cuales se introducen debajo de los agitadores, los cuales se ponen a funcionar a 100 rpm. Luego, se inyecta el coagulante con una pipeta de 2 a 10 ml, profundamente dentro del líquido junto a la paleta. El tiempo de mezclado suele ser entre 30 y 60 segundos. Por medio de una pipeta o bureta se colocan las cantidades de coagulantes que se van a agregar, en seis vasos pequeños de precipitado. El contenido de cada vaso se succiona
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con una jeringa médica provista de su aguja hipodérmica. Se retira dicha aguja de la jeringa y esta última, con su dosis completa, se pone junto a la jarra correspondiente. Se hacen girar las paletas del aparato a 100 rpm y se inyecta el contenido de cada jeringa en la jarra que le corresponde, cuidando que la solución penetre profundamente para que la dispersión sea más rápida. Se pone previamente en las jarras la dosis de coagulantes requeridas y se vierte rápidamente el agua de la muestra en los mismos, mientras se hacen girar las paletas a 100 rpm. Esto produce una mezcla completísima, muy semejante a la que se obtiene en un salto hidráulico. Una vez hecha la mezcla rápida se disminuye la velocidad de rotación de las paletas a 30-60 rpm (promedio de 40 rpm) y se deja flocular el agua durante 15-30 min. Luego se suspende la agitación, se extraen las paletas y se deja sedimentar el agua. Una vez mezclados los coagulantes con el agua se pueden hacer las determinaciones de tipo cuantitativas como: turbiedad, color alcalinidad, pH entre otras. (Arboleda 2000).
V.- OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL: •
Obtener a partir de la penca de tuna un floculante natural para el tratamiento de agua.
OBJETIVOS ESPECIFICOS: •
Determinar el rendimiento del floculante natural de penca de tuna en el tratamiento de agua comparado con los floculantes naturales..
•
Optimizar el floculante natural de penca de tuna con los floculantes tradicionales, para el tratamiento de aguas.
VI.- HIPOTESIS.
18
A partir de la penca de tuna se obtuvo floculante natural, tomándose solo la savia de esta de la penca de tuna, licuándola en una manera breve y utilizándola para el tratamiento de agua. Se determino q con la utilización del floculante natural de penca de tuna, se bajo el nivel de turbiedad y pH; hasta los limites permisibles y establecidos por la legislación peruana y el Organismo Mundial de la Salud (OMS). Se determino también con la combinación del floculante natural de penca de tuna con los floculantes tradicionales ya conocidos como son el sulfato de aluminio y sulfato ferroso, alcanzo los límites permisibles de pH y turbiedad establecidos por la legislación peruana y el Organismo Mundial de la Salud (OMS).
VARIABLES DE OPERACIÓN. Variables Variable
Indicadores
Índices
Valoración
Penca, Savia de
ml
Independiente. (Vi) Penca de tuna. Recursos Agrícolas.
la Penca. Propiedades Físicas.
Densidad.
g/ml
(Vd) Floculante
Propiedades Físicas del
Densidad.
g/ml
Natural.
floculante natural.
Humedad.
%
Variable Dependiente.
19
Variable Intervinentes. (Vit) pH
Acidez inicial y final de la
pH
pH
muestra de agua. Turbiedad inicial y final de (Vit) Turbiedad.
la muestra de agua.
UNT
UNT
(Vit) Alcalinidad
Alcalinidad inicial de la
mg/L
Mg/L
muestra de agua.
VII.- METODOLOGIA. 7.1 Lugar de Ejecución de los Experimentos: •
Laboratorios de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Altiplano Puno.
•
Laboratorio de análisis de muestras de la Empresa de Saneamiento Básico EMSA-Puno
7.2Materiales y Equipos: 7.2.1 Equipos de Laboratorio.
•
Materiales:
•
Equipo para prueba de
•
Jarras.
Vasos de Precipitados
•
Turbimetro.
•
Balanza Analítica.
•
pH-metro.
•
Jeringa medica .
•
Termómetro.
•
Matraces.
•
Buretas
•
Licuadora.
•
Fiolas.
•
Probetas.
•
Pipetas
•
Estufa o Mufla.
20
•
Reactivos. o
Sulfato de Aluminio.
o
Sábila de la penca de Tuna.
o
Muestra a tratar (agua).
o
Agua Destilada.Q.P.
o
Acido Sulfúrico.
o
Carbonato de Sodio.
o
Hidróxido de Sodio.
o
Anaranjado de Metilo.
7.3 Métodos de Experimentación: 1.- Se determinara el pH, alcalinidad y turbiedad inicial a la muestra de agua en estudio.
2.- Se estudiara el efecto del floculante natural de penca de Tuna. Adquirir la sábila de la tuna, quitar la cáscara y posteriormente licuarla y medir su densidad y humedad. Para ello se realizaran varias pruebas de jarras que consintieran en: Poner a cada uno de los 5 vasos de la prueba de jarras 100 ml de la muestra de agua residual y se adicionara
sábila de tuna
en
concentraciones de 4, 8,12 y 20 ml/L. Se agitara cada muestra a 100 rpm durante 1 minuto y después se disminuirá la velocidad de agitación a 40 rpm durante 10 minutos y por último se dejara sedimentar 15 minutos. Finalmente se determinara la turbiedad para ver el efecto que sobre ella tenia el uso de la sábila de tuna.
3.- Pasado el tiempo de sedimentación se determinara la turbiedad y pH a cada una de las 5 muestras. Se requiere encontrar una disminución de turbiedad de aproximadamente 5 UNT, porque este es el rango de la concentración mínima requerida por las Normas Oficiales Peruanas D.S. Nº 261-69-AP Ley General del Agua. Especificaciones sanitarias por el Ministerio de Salud (MINSA) D.S. Nº 007-83-S.A.
21
4.- Se prepararan las siguientes soluciones: Solución de sulfato de aluminio al 1%: pesar 10 gramos de sulfato de aluminio, disolver en agua destilada y aforar a 1 litro. Solución de sulfato de aluminio al 0.1 %: Tomar 100 ml de la solución al 1% de aluminio y diluir a un litro de agua destilada.
5.- Se realizaran varias pruebas de jarras de la siguiente manera: Se enumeraran los 5 vasos de la prueba de jarras, y a cada uno de ellos se les pondrá 100 ml de la muestra de agua en estudio, posteriormente se adicionara 1, 2, 4, 6,8 ml de la solución de sulfato de aluminio al 0.1% que equivale a concentraciones de 10, 20,40, 60 y 80 mg/L de (Al 2(SO4)3). Se agitara cada muestra a 100 rpm durante 1 minuto y después se disminuirá la velocidad de agitación a 40 rpm durante 10 minutos y por último se dejara sedimentar 15 minutos.
6.- La prueba de jarras se repetirá varias veces para encontrar la concentración óptima de (Al 2(SO4)3) para disminuir la turbiedad hasta 5 UNT.
7.- Al tener la concentración óptima de (Al 2(SO4)3), se determinara una concentración menor a la optima (C 2) buscando disminuir el uso del sulfato de aluminio por su combinación con sábila de tuna.
8.- Al tener la concentración de C 2, se realizara una prueba de jarras en donde la concentración de sulfato de aluminio se mantendrá constante. Se pondrá en cada uno de los 5 vasos de la prueba de jarras 100 ml de la muestra de agua residual en estudio, se adicionara la concentración de sulfato de aluminio C 2 determinada anteriormente, se agitara a 100 rpm y posteriormente se adicionara sábila de tuna en concentraciones de 2, 4, 5, 10,15 ml/L se disminuirá la agitación a 40 rpm por 10 minutos y finalmente se dejara sedimentar en un tiempo de 15 minutos.
8.- Se determinara la turbiedad y pH para cada una de las 5 muestras realizadas.
9.- Todo el proceso descrito se remitirá
varias veces para lograr
concentraciones optimas de coagulante-floculante, para disminuir la concentración de turbiedad, que exigen las Normas Oficiales Peruanas antes descritas.
22
VIII.- AMBITO DE ESTUDIO. El trabajo de investigación se realizara en la ciudad de Puno- Perú ubicada a 3820 m.s.n.m., en los laboratorios de la Universidad nacional del Altiplano UNA y de la Empresa Municipal de Saneamiento Básico EMSA. La investigación se realizara a una temperatura estándar de 25ºC y a una presión atmosférica propia de la provincia de Puno.
IX.- RECURSOS. 9.1 Recursos Materiales: Equipo Prueba de Jarras Turbimetro pHmetro Pipeta (5ml) Matras (250ml) Bureta. (50ml) Mufla Termómetro Fiola (250ml) Balanza Analítica Vaso de Precipitado (250ml) Licuadora Jeringa Medica (5ml) Probeta (50ml)
Unidad Financiamiento Costo (s/.) 1 EMSA -------1 EMSA -------1 UNA -------4 UNA -------6 UNA -------2 UNA -------1 UNA -------1 UNA -------2 UNA -------1 UNA -------10 UNA -------1 PROPIO -------1 PROPIO 0.50 1 UNA -------TOTAL: 0.50
9.2 Insumos de laboratorio. Reactivo o Material
Cantida Financiamiento
Costo (s/.)
d Sulfato de Alumino Acido Sulfurico Fenolftaleina Anaranjado de Metilo Hidroxido de Sodio Agua Destilada Q.P.
10g 250ml 1ml 2ml 250ml 2L
UNA UNA UNA UNA UNA PROPIO
-----------------------------------14.00
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Penca de Tuna Muestra de agua a tratar.
2Kg 4L
PROPIO PROPIO TOTAL:
3.00 -------17.00
9.3 Otros: Especificación Revisión en Internet Servicios de computo
Costo (S/.) 6.00 15.00
Material de escritorio Transporte y viajes
1.00 4.50 26.50
TOTAL: X.- CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. Código A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
Descripción Duración Revisión Bibliografica 04 semanas Formulación de Marco Teórico 02 semana Adquisición e Implementación de Laboratorio 01 semana Revisión de Estrategia Experimental 02 semanas Ejecución de la Experimentación 02 semanas Ordenamiento de Resultados 01 semana Análisis de Resultados 02 semanas Redacción de Informe Final 02 semanas TOTAL: 16 semanas
Codigo
Semanas
Actividad A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
1 x
2 x
3 x
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
x x
x x x
x x
x x x
x
15
16
24
A8
x
x
XI.- BIBLIOGRAFIA. 1. Arboleda Valencia Jorge. (2000). Teoría y practica de la purificación del
agua . Colombia. Editorial Mc Graw Hill. Tomo 1. 2. Almendárez Nabyarina .2003. Comprobación de la efectividad del polimero
natural. Nicaragua. 3. Andía Cárdenas Yolanda. (2000). Tratamiento de agua, coagulación y
floculación. Lima, Perú. SEDAPAL. Evaluación de plantas y desarrollo
tecnológico. 4. Keith A. Christman. Calidad del agua: Desinfección efectiva . Arlington, VA.
EUA. Consejo de química del cloro. 5. Manual de Degremon. (1996). Tratamiento de aguas . España. 6. Metcalf & Eddy. (1996). Ingeniería de aguas residuales . México. Editorial
McGraw-Hill. Tomo I. 7. Nalco Chemical Company. (1989). Manual del agua, Su naturaleza,
Tratamiento y aplicaciones . México. Editorial Mc Graw Hill. 8. Robles Lucero 2006. Reducción del uso de floculante sulfato de
aluminio mediante el uso de una combinación de floculantes naturales y sintéticos México .
9. Romero Rojas Jairo Alberto. (1999). Calidad del agua. México. Editorial
Alfaomega. 10. Salvat Básico. (1986). Diccionario Enciclopédico . Colombia. Editorial Salvat.
Tomo 6. 11. Tchnobanoglous George. (2000). Sistema de manejo de aguas residuales .
Colombia. Editorial Mc Graw Hill. Tomo I y II. 12. U.S. Environmental protection agency. (1979). Process design manual for
phosphorus removal . Washington. Office of technology transfer. 13. Veyzer Y.I., Minz D.M. (1984). Floculantes de alto peso molecular en
procesos de tratamiento de aguas residuales y potables . Moscú. Editorial
Moscú.
25
•
Paginas Web.
/www.cepis.ops-oms.org/ www.cepis.org.pe www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml www.cna.gob.mx www.inegi.gob.mx/ www.salud.gob.mx www.nerea-investiga.org www.sagarpa.gob.mx www.aguasegura.org www.inifap.gob.mx www.cepis.ops-oms.org www.ceaqueretaro.gob.mx www.portal-agua.com www.aguaycombustion.com www.unesco.org/water www.agua.org.mx www.lentech.com/espanol www.unex.es www.cyted.org www.uaq.mx www.prodiversitas.bioetica.org/tuna/htm www.agronomia.uchile.cl www.ine.gob.mx www.nerea-investiga.org www.usco.edu.co www.ehu.es www.saber.ula.ve www.microsof.cmo/ispi/medir www.fao.org/docrep
26
