UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGIENIERIA QUMICA

CURSO:INGENIERIA AMBIENTAL

REMOCION DE ARSENICO USANDOSALES DE HIERRO

PROFESOR:

Dr. Edgardo Avendao C.

ALUMNOS(OS)

Isbell D. Quispe Crdenas Frank J. Marca Lpez

TACNA - PER2015

ndiceLISTADO DE CUADROS3LISTADO DE FIGURAS41.INTRODUCCION41.2.Tipos de arsnico51.3.Sistemas de remocin de arsnico a gran escala y en punto de uso62.PRESENCIA Y QUMICA DEL ARSNICO EN AGUAS NATURALES83.REMOCIN DE ARSENITO POR SALES: Fe (VI), Fe (VI) / Fe (III) y Fe (VI) / Al (III)93.1.Efecto del pH113.2.Efecto de aniones124.COAGULACIN, FLOCULACIN, SEDIMENTACIN Y FILTRADO155.PROCESO DE REMOCION DEL ARSENICO: COAGULACION166.PROCESO DE REMOCION DEL ARSENICO: FLOCULACION177.PROCESO DE REMOCION DEL ARSENICO: SEDIMENTACIN188.PROCESO DE REMOCION DEL ARSENICO: FILTRACIN189.FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DEL PROCESO DE COAGULACION PARA LA REMOCION DE ARSENICO1910. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO DE COAGULACION2010.1.Ventajas2010.2.Desventajas2111. CLORURO FRRICO2112. PLANTA DE AGUA POTABLE DE SANTA FE2212.1.Caractersticas generales de la planta de tratamiento.2312.2.Caractersticas fisicoqumicas del agua a tratar2312.3.Descripcin del sistema de Captacin2412.4.Descripcion2512.5.Barros Generados2712.6.Ensayos realizados sobre los barros.3012.6.1.Determinacin de la humedad.3012.6.2.Contenido de arsnico en el percolado de la playa de secado.3012.6.3.Contenido de arsnico en los barros de playa de secado y disposicin final3012.6.4.Medicin del rsenico presente en el suelo del sitio de disposicin final 3112.7.Prototipo de la planta para la terminacin de las condiciones ptimas de Coagulacin/ floculacin para la remocin de arsnico con cloruro de hierro (iii)3312.7.1.Mtodo de anlisis de arsnico3412.7.2.Optimizacin de pH3612.7.3.Dosis ptima de coagulante3612.7.4.Dosis ptima de floculante3612.7.5.Tiempo ptimo de floculacin3612.7.6.Tiempo de sedimentacin3612.7.7.Residuos del tratamiento3713.CONCLUSIONES3814.BIBLIOGRAFIA39

LISTADO DE CUADROS

Cuadro 1.3 Comparacin de sistemas de remocin de arsnicoCuadro 3. La eliminacin de Como bajo diferentes condiciones a pH 6,5.Cuadro 3. 2 El efecto de nitrato y sulfato en la eliminacin de arsenito por Fe(VI) y cloruro de aluminio a un pH de 6,5.Cuadro 9.1 pH ptimos encontrados para distintos coagulantes en la remocin de AsCuadro 9.2. Eficiencias de remocin de As para dos coagulantes diferentes.Cuadro 12.2 Parmetros fisicoqumicosCuadro 12.6. Porcentaje de humedad en los barrosCuadro 12.6.2. Resultados del anlisis de percolado de la playa de secado.Cuadro 12.6.4. Resultados del anlisis de TCLP sobre las muestras de suelo aos 2010 y 2011Cuadro 12.6.4 Resultados del anlisis de contenido de As sobre las muestras de suelo aos 2010 y 2011Cuadro 12.7.1 Resultados de los clculos de incertidumbre, lmite de deteccin y lmite de cuantificacin de la medicin de arsnico

LISTADO DE FIGURASFigura 1. Presencia de especies de arsnico en agua en el sistema As-O2-H2O a 25C y 1atmFigura 2. La eliminacin de arsenito por Fe (VI) (a), Fe (III)/sales de Fe (VI) (b), y Fe (VI)/Al (III) sales (c) a pH 6,5. Concentracin de arsnico inicial = 500g As (III) L-1.Figura 3. Eliminacin de arseniato por Fe (III), Al (III) y Fe (III)/Al (III) (Fe: Al = 1: 1) en sales pH 6,5. Concentracin de arsnico inicial = 500g As(V) L-1.Figura 4. Efecto del pH sobre la eliminacin de arsnico por Fe (VI)/Fe (III) y Fe(VI)/Al (III) sales. [Fe(VI)] = [Fe(III)] = [Al(III)] = 20M. Concentracin de arsnico inicial = 500g As(III) L-1.Figura 5. Efecto de fosfato, silicato, y bicarbonato en la eliminacin de arseniato por Fe(VI)/Al (III) sales en pH 6,5. Fe (VI) = 20M y concentracin inicial arsnico = 500g As(III) L-1.Figura 6. Efecto de la NOM en la remocin de arsnico en el agua potable por Fe (VI) / Al (III) sales a pH 6,5.Figura 7. Esquema tpico de Coagulacin / Floculacin / Sedimentacin.Figura 8. Proceso del Agua con arsnico en la planta de tratamiento Figura 9. Diagrama de bloque para el tratamiento de agua potableFigura 10 Planta de agua potable de santa fe Figura 11. Prefiltros que contienen piedras de canto rodado de diferentes tamaosFigura 12, 13. Filtro arenaFigura 14. Pasos de las plantas de tratamiento de agua en el manejo de residuos.Figura 15. Pileta de recuperacin Figura 16. Playas de secado de barrosFigura 17. Barros listos para disposicin finalFigura 18. Sacos de polietilenoFigura 19. Barros en sitio de deposicin finalFigura 20. Profundidades para la toma de muestras en el sitio de disposicin final.Figura 21. Sitio de toma de la muestra. Figura 22. Aparato de jarras convencional utilizado en los ensayos de remocin de arsnicoFigura 23. Espectrofotmetro de absorcin atmica Perkin Elmer AAnalyst 800.Figura 24. Curva utilizada para clculo de la incertidumbre y lmite de deteccin de los anlisis de arsnico

INTRODUCCION

Existen varias tecnologas para la remocin del As de las aguas para el consumo humano, dentro de las ms estudiadas y popularizadas est el mtodo de coagulacin-floculacin-adsorcin-filtracin. Aunque en parte de la bibliografa consultada, se usa el trmino coagulacin para los procesos tanto de floculacin como de adsorcin. En el presente trabajo se aclara que se tratan de procesos diferentes que apuntan hacia el objetivo de remover el As. [1]Los procesos de coagulacinfloculacin-sedimentacin-filtracin son usados para remover partculas coloidales que producen turbiedad y color en las aguas superficiales. Con estos procesos y en determinadas condiciones puede removerse arsnico, hierro, manganeso, algas, materia orgnica. [1]El arsnico es un elemento que a ciertas concentraciones ocasiona efectos adversos a la salud. Las principales rutas de exposicin son la ingesta y la inhalacin. Los efectos crnicos del arsnico son principalmente lesiones en la piel tales como hiperqueratosis de las manos y los pies, pigmentaciones simtricas y ulceraciones, adems de otras afectaciones como conjuntivitis, miocarditis, problemas vasculares e irritacin del aparato respiratorio. [1]Una alternativa aplicable lo constituyen los sistemas de punto de uso basados en coagulacin/floculacin, los cuales tratan el agua en los hogares directamente. Con estos sistemas las familias en sus hogares llevaban a cabo los procesos de coagulacin/floculacin mediante la adicin de un coagulante. De la mano de una adecuada capacitacin, este sistema result ser muy efectivo en la remocin de arsnico. [1]Entre los coagulantes comnmente empleados se encuentran el cloruro de hierro (III) y el sulfato de aluminio; el primero presenta muchas ventajas ya que ha demostrado ser ms efectivo que el sulfato de aluminio en la remocin de arsnico.[2] (Cheng, Liang, Wang, & Beuhler, 1994; Lakshmanan, Clifford, & Samanta, 2008; Sancha, 2010).Los resultados mostrados en los estudios mencionados anteriormente motivaron la realizacin de este proyecto que pretende brindar una alternativa basada en coagulacin/floculacin con cloruro de hierro (III) como coagulante y ya sea un polmero sinttico o un producto natural como el mozote como floculante. Se espera que esta sea econmica, de fcil operacin y mantenimiento para la remocin de arsnico en agua.Con estos sistemas las familias en sus hogares llevaban a cabo los procesos de coagulacin/floculacin mediante la adicin de un coagulante. De la mano de una adecuada capacitacin, este sistema result ser muy efectivo en la remocin de arsnico. [2]

0. TIPOS DE ARSNICOEl Arsnico, en nuestro medioambiente, existe principalmente en dos estados de oxidacin (valencia): arsenito (As+3) y arsenato (As+5).

Arsenito (As+3): Predominante bajo condiciones moderadamente reductoras. Forma soluble del Arsnico.Caractersticas: Trivalente, As+3. Se encuentra mayoritariamente presente en aguas subterrneas. Ms txico que el Arsenato para los seres humanos. Altas concentraciones en aguas de pozo estn normalmente asociadas a la presencia de Fe y Mn. Ms difcil de remover que el Arsenato. Existe como H2ASO3- (a pH > 9,22). Para facilitar su remocin debe ser oxidado a Arsenato.Arsenito: Curva de Disociacin

Arsenato (As+5): Predominante bajo condiciones ambientales oxidantes. Forma insoluble del Arsnico.Caractersticas: Pentavalente: As+5. Se encuentra mayoritariamente presente en aguas superficiales. Altas concentraciones normalmente asociadas a altas concentraciones de TDS, sulfatos y cloruros. Su forma insoluble facilita su remocin por mtodos fsico-qumicos. Existe como un oxianin cargado negativamente: H2AsO4- o HAsO4-2, a pH neutro.

Arsenato: Curva de Disociacin

SISTEMAS DE REMOCIN DE ARSNICO A GRAN ESCALA Y EN PUNTO DE USOExisten varios mtodos para la remocin de arsnico como la coagulacin-floculacin, precipitacin, adsorcin, filtracin por membranas e incluso mtodos alternativos como los biolgicos. [3]Estos mtodos, se aplican tanto a gran escala como en sistemas de punto de uso. Los denominados sistemas de punto de uso, se basan en el tratamiento del agua con el propsito de utilizarla en la cocina o para bebida, por lo que comnmente se aplican a un slo grifo, utilizando algunos de los mtodos antes mencionados (EPA, 1999). [4]El diseo de un sistema de remocin de arsnico debe tomar en cuenta muchos factores como los econmicos, los tcnicos, los culturales, los polticos, los materiales disponibles y las caractersticas del agua; as como la presencia de otras sustancias en la misma y la especiacin del arsnico. Adems, es necesario incluir la manipulacin y disposicin de los residuos. [4]En el Cuadro 1.3 se resumen algunos de los sistemas de remocin de arsnico. De estos sistemas existen algunos que ms investigacin como los biolgicos, mientras que los sistemas de coagulacin/floculacin, oxidacin/precipitacin y adsorcin se encuentran ms consolidados; adems, se ha demostrado que presentan una muy alta eficiencia de remocin. Otro sistema efectivo, pero que representa un alto costo es el uso de membranas para filtracin, por lo que no se recomienda para comunidades de escasos recursos. El mtodo ms comn constituye la coagulacin/floculacin debido a que es simple y efectivo, sin embargo, presenta una desventaja en cuanto al manejo de sus residuos. Esta preocupacin, la comparte con el uso de adsorbentes en la remocin del arsnico. Los cuales, adems, son vulnerables a otros componentes presentes en el agua. Todos los sistemas mencionados pueden adaptarse para ser utilizados como punto de uso.De acuerdo con los objetivos de este trabajo, el tratamiento para la remocin de arsnico escogido es el de coagulacin/floculacin por lo que en los siguientes captulos, se abarca nicamente la utilizacin de este mtodo.Cuadro 1.3. Comparacin de sistemas de remocin de arsnico

PRESENCIA Y QUMICA DEL ARSNICO EN AGUAS NATURALES

En aguas naturales, el arsnico se encuentra, en general, disuelto, como arsenito As(III) o arseniato As(V). En el rango de pH de las aguas naturales, la especie dominante de arsenito es neutra () y las especies dominantes de arseniato son aniones cargados negativamente ( y ), lo que favorece su remocin al resultar electrostticamente atrados por las cargas positivas de la superficie de los hidrxidos metlicos formados en algunas tecnologas de abatimiento de arsnico, o pueden reemplazar el ion intercambiable de una resina de intercambio bsica. A pH menor de 9.2, la forma predominante del arsnico no tiene carga elctrica, lo que dificulta su remocin. [1]En el agua, el arsnico se encuentra en dos estados de oxidacin: trivalente (arsenito) y pentavalente (arseniato); en su mayora est presente en esta ltima forma, sin embargo, en condiciones anaerbicas sucede lo contrario. Su presencia en el agua se encuentra asociada a la interaccin de la roca con el agua; esto ocurre principalmente en aguas subterrneas por los depsitos sedimentarios y de minerales de sulfuro derivados de rocas volcnicas.[5] Adicionalmente, los acuferos por sus caractersticas fsicas y geoqumicas favorecen la movilizacin y acumulacin del arsnico. Altas concentraciones de arsnico en aguas subterrneas se han encontrado en reas geotrmicas (10 hasta 370 g/L) o de actividad minera (284 g/L). [6]Segn, Smedley & Kinniburgh (2002)[6], la abundancia de unas las especies de arsnico sobre la otra, es debido al pH del agua y al potencial redox. A valores de pH altos, mayores a 8,5, se da la desorcin del arsnico del suelo o evita que este se vuelva a adsorber (Smedley & Kinniburgh, 2002)[6]. El arsnico pentavalente predomina en condiciones oxidantes, las cuales se dan en aguas superficiales; mientras que en condiciones reductoras (aguas subterrneas) el arsnico trivalente se encuentra en mayor cantidad, este comportamiento se ilustra en Figura 1.Un aspecto que se debe destacar es que la especie presente en el agua ms txica corresponde al arsenito (EPA, 1999; World Health Organization, 2011).

Figura 1. Presencia de especies de arsnico en agua en el sistema As-O2-H2O a 25C y 1atm

Fuente: Smedley & Kinniburgh (2002)REMOCIN DE ARSENITO POR SALES: Fe (VI), Fe (VI) / Fe (III) y Fe (VI) / Al (III)

Efecto del pH y anionesEl arsnico es un contaminante comn en las aguas subterrneas en todo el mundo y de acuerdo con la Organizacin Mundial de la Salud (OMS), una a largo plazo la exposicin de arsnico podra alcanzar proporciones epidmicas [7]. Problemas de salud graves incluyen cncer de pulmn, piel, rin, vejiga, y colon y digestivo y trastorno neurolgico. Los beber agua estndar para el arsnico en el 10gL-1 fue instituido por la OMS, Unin Europea, Japn y recientemente por los EE.UU. Ambiental Agencia de Proteccin [8]. En aguas naturales, arsnico es principalmente presente en formas inorgnicas como el cido arsenioso (H3AsO3) de trivalente arsenito [As (III)] y como oxianiones (H2AsO4 - Y HAsO4 2-) de pentavalente arseniato [As (V)]. Arseniato es la especie predominante en agua oxigenada y arsenito es ms frecuente bajo moderadamente reduccin de las condiciones comunes en las aguas subterrneas. Sin embargo, tanto formas suelen coexistir, ya sea en el medio ambiente debido a su lenta transformaciones redox. Los desafos en la eliminacin tanto de As (V) y As (III) por debajo de la norma de agua potable de 10gL-1 y reciente la contaminacin por arsnico de las aguas subterrneas en Bangladesh, India y Vietnam han impulsado la necesidad de una respuesta eficaz, eficiente y caracterstica mtodo factible para la eliminacin de ambas especies de arsnico, en particular arsenito. [8]La remocin de arsnico del agua potable se realiza por lo general por coagulacin con sales frricas o alumbre seguida por filtracin. [9,10]. Sin embargo, este mtodo no puede eliminar eficazmente arsnico As(III) est presente en cantidad significativa. Arsenito tiene muy poca afinidad para los hidrxidos de aluminio. [11] Tanto arsenito y arseniato han mostrado fuertes afinidades por oxihidrxidos de hierro; sin embargo, la sorcin arsenito es ms dbil que el arseniato a pH 2mg Si L-1 (Figura 2b). En presencia de 5 y 10 mg de Si L-1 (equivalente a Si para Como ratio = 27 y 53, respectivamente), la eliminacin arsenito disminuy a 87 y 50%, respectivamente. Tales efectos de silicato se han reportado para la adsorcin de arsnico en hidrxidos de hierro [22,23]. Silicato ha informado de obstaculizar la hidrlisis de Fe (III) sales a una concentracin de 5 mg de Si L-1, lo que podra tambin haber contribuido a la reduccin en la remocin de As [22]. Como fosfato, silicato tambin parece competir con arseniato para los sitios de sorcin. Sin embargo, los resultados del presente estudio indican que el silicato no es tan competitivo como el fosfato con arseniato. Arseniato y fosfato tienen valores de pK similares, pero valores de pK del cido silcico difieren (pK1 = 9,46 y pK2 = 12,56) [26]. En la inicial

Remocin de Arsnico con Sales de HierroPgina 2

Figura 5. Efecto de fosfato, silicato, y bicarbonato en la eliminacin de arseniato por Fe(VI)/Al (III) sales en pH 6,5. Fe (VI) = 20M y concentracin inicial arsnico = 500g L-1 As (III).pH de 7,8, las especies no cargadas, Si(OH)4 estara presente predominantemente, que no pueden ser fuertemente preferido por carga positiva Fe (III) -Al (III) oxi superficie / hidrxido a pH 6,5. Esto se traduce en menos influencia de silicato de fosfato sobre la eliminacin de Como en el sistema Al(III)/Fe (VI). Los resultados indican que si el silicato est presente a las 5 y 10 mg de Si L-1, 60 y 114M Al se requiere, adems de 20M ferrato para lograr la eliminacin efectiva de arsenito.Bicarbonato tambin tuvo un efecto en la eliminacin de arsenito, pero la magnitud del efecto fue mucho menor que la observada con fosfato y silicato de bicarbonato incluso cuando estaba presente en concentraciones de alrededor de 2-3 rdenes de magnitud mayor que la de fosfato y silicato (Figura 2c). Aunque la reduccin en la eliminacin de arsnico aument con el aumento de la concentracin de bicarbonato 10 a 750mgL-1, la reduccin de la eliminacin de arsnico era mucho ms pequea en comparacin con el aumento de la concentracin de bicarbonato.En presencia de bicarbonato a 10, 50, 100, y 500 mg L-1 (correspondiente a cuanto a relaciones molares de 01:24, 1:123, 1:246, y 1:1227), la eliminacin arsenito se redujo a 94, 94, 89, y 75%, respectivamente. Es importante tener en cuenta que incluso en un As:C relacin molar 1> 1000, se observ 75% Como remocin. Estos resultados indican que el arsnico tiene una afinidad mucho mayor para el Fe(III)-Al (III) oxi/superficie de hidrxido que el bicarbonato y estos dos iones aparentemente no se adsorben en Fe-Al oxi superficie / hidrxido por el mismo mecanismo. Se observaron efectos similares de bicarbonato en la eliminacin arseniato por nano escala hierro de valencia cero a pH 7. [27] Iones bicarbonato se han reportado para formar complejos monodentados interior de esfera con grupos funcionales superficiales de Fe y Al hidrxidos [28]. Fosfato y iones silicato tambin forman complejos del centro de la esfera y compiten fuertemente con arsnico en superficies hidrxido oxi /Fe o Al. Esto sugiere que algn mecanismo distinto de la competencia entre los iones de arsnico y bicarbonato de contribuir a la reduccin en la eliminacin de arsnico en el (Cuadro 3.2) muestra el efecto de los iones de nitrato y sulfato en la eliminacin de arsenito por Fe (VI) / Al (III) sales a pH 6,5. Iones de nitrato en concentraciones que van a partir del 1 de 10mg L-1 N el efecto insignificante en el eficiencia de remocin de arsenito. Sin embargo, la remocin de arsenito ligeramente afectada por SO42- iones en el intervalo de concentracin de 1 a 50 mgL-1 SO42-. En Fe (VI) y Al(III) concentracin de 20M cada uno, la concentracin residual Como aumento de 2,5 a 11gL-1 As con un aumento de la concentracin de sulfato de 1 a 50 mg L-1 SO42-. Como es evidente en la (Cuadro 3.2), se requiere una dosis mayor de 33M Al (III) para disminuir la concentracin de arsnico a