coagulantes y floculantes naturales...
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COAGULANTES Y FLOCULANTES NATURALES USADOS EN LA REDUCCIÓN DE
TURBIDEZ, SÓLIDOS SUSPENDIDOS, COLORANTES Y METALES PESADOS EN
AGUAS RESIDUALES.
Proyecto de grado Modalidad Monografía
(Acuerdo 038 de 2015)
MONICA ALEJANDRA BRAVO GALLARDO.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN.
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA.
BOGOTÁ D.C 2017
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COAGULANTES Y FLOCULANTES NATURALES USADOS EN LA REDUCCIÓN DE
TURBIDEZ, SOLIDOS SUSPENDIDOS, COLORANTES Y METALES PESADOS EN
AGUAS RESIDUALES.
MONICA ALEJANDRA BRAVO GALLARDO
Estudiante Proyecto Curricular de Licenciatura en Química
Directores:
WILLIAM CASTRILLÓN CARDONA Ms.C.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
JAVIER ANDRÉS MATULEVICH PELÁEZ. Ms.C.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
CRISPIN CELIS ZAMBRANO Ph.D.
Pontifica Universidad Javeriana
ANDRES EDUARDO ORTIZ ARDILA.
Pontifica Universidad Javeriana
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN.
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA.
BOGOTÁ D.C.2017
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TABLA DE CONTENIDO
CONTENIDO
RESUMEN
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 8
2. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS ................................................................................ 9
3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................... 11
4. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ................................................................................... 12
5. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 13
5.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................ 13
5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................... 13
6. MARCO TEORICO CONCEPTUAL .................................................................................. 14
6.1. GENERALIDADES ...................................................................................................... 14
6.1.1. COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN ..................................................................... 15
6.1.2. Coagulantes-Floculantes Inorgánicos .................................................................. 15
6.1.3. Coagulantes- Floculantes Orgánicos Sintéticos ................................................... 15
6.1.4. Coagulantes-Floculantes Naturales ...................................................................... 16
6.1.5. Mecanismos de coagulación y floculación ............................................................ 17
6.1.6. Impacto Medioambiental....................................................................................... 21
6.1.7. Coagulantes y floculantes en Colombia ............................................................... 22
7. METODOLOGÍA ............................................................................................................... 24
7.1. BÚSQUEDA Y CATEGORIZACIÓN DE LA INFORMACIÓN ...................................... 24
7.2. ELABORACIÓN DEL ESCRITO TIPO MONOGRAFÍA ............................................... 24
3
8. RESULTADOS .................................................................................................................. 25
8.1. Coagulantes y floculantes naturales ........................................................................... 25
8.1.1. Moringa Oleífera ................................................................................................... 25
8.1.2. Cassia obtusifolia ................................................................................................. 29
8.1.3. Jatropha curcas .................................................................................................... 33
8.1.4. Aesculus hyppocastanum y Quercus robur .......................................................... 35
8.1.5. Abelmoschus esculentus ...................................................................................... 37
8.1.6. Plantago mayor L. ................................................................................................ 40
8.1.7. Vitis vinífera .......................................................................................................... 42
8.1.8. Plantago psyllium ................................................................................................. 46
8.1.9. Phaseolus vulgaris ............................................................................................... 48
8.1.10. Vicia faba L. .......................................................................................................... 50
8.1.11. Ácido láctico y Lactato de Calcio .......................................................................... 52
8.1.12. Escamas de pescado ........................................................................................... 53
8.2. COAGULANTES Y FLOCULANTES MODIFICADOS ................................................ 55
8.2.1. Acacia mearnsii .................................................................................................... 55
8.2.2. Schinopsis balansae ............................................................................................. 60
8.2.3. Betula verrucosa ................................................................................................... 66
8.2.4. Quitosano ............................................................................................................. 70
8.2.5. Zea Mayz .............................................................................................................. 75
8.3. COAGULANTES Y FLOCULANTES PARA LA ELIMINACION DE METALES
PESADOS ............................................................................................................................ 80
8.3.1. Opuntia ficus indica .............................................................................................. 80
8.4. Musa spp .................................................................................................................... 83
8.5. Moringa oleífera .......................................................................................................... 85
4
8.6. Acacia mearnsii ........................................................................................................... 87
8.7. Quitosano .................................................................................................................... 88
9. DISCUSION…..…………………………………………………………………………………………………………………………………………
9.1. Tabla 1. Resumen de la actividad coagulante y floculante de diferentes especies vegetales
en el tratamiento de aguas residuales……………………………………………………………….94
9.2. Tabla 2. Resumen de la actividad coagulante y floculante de diferentes especies vegetales
en el tratamiento de aguas residuales……………………………………………………...………..98
9.3. Tabla 3. Resultados de la actividad coagulante de las especies vegetales en la reducción
de diferentes metales pesados……………………………………………………………………..100
10. CONCLUSION ................................................................................................................ 101
11. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 103
5
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Esquema del mecanismo de coagulación neutralización de carga (Bohuslav
Dobias, 2005). .......................................................................................................................... 18
Figura 2. (a) Adsorción de polímero y formación de flotadores disponibles para la unión.
(b) Puente polimérico entre partículas (agregación) (Sharma et al., 2006). ............................. 19
Figura 3. (a) Partículas con carga negativa (b) Coagulantes catiónicos (c) Coagulación
por neutralización de carga mediante mecanismo de parche (Sharma et al., 2006). ............... 20
Figura 4. (a) Planta y (b) vainas de Moringa oleífera (Okuda et al., 2001). .............................. 25
Figura 5. Representación esquemática del Mecanismo de coagulación, utilizando el
extracto con solución 1,0 M de NaCl y posteriormente purificada en suspensión de
caolín (Okuda et al., 2001). ...................................................................................................... 28
Figura 6. (a) Vainas y (b) plantas de Cassia obtusifolia (Subramonian et al., 2014) ............... 30
Figura 7. Espectro infrarrojo de flóculos formados con C.obtusifolia (Singh et al., 2009). ....... 31
Figura 8. (a) Semillas, (b) hojas y (c) planta de Jatropha curcas (Abidin et al., 2011). ............ 34
Figura 9. (a) Semillas y flores de Aesculus hyppocastanum y (c) semillas y hojas de
Quercus robur (Sciban et al., 2009). ........................................................................................ 36
Figura 10. (a) Semillas y (b) plantas de Abelmoschus esculentus (Freitas et al., 2015) .......... 38
Figura 11. Espectro FT-IR del mucilago de okra (A. esculentus) (Freitas et al., 2015). ........... 39
Figura 12. (a) Semillas y (b) Planta de Plantago mayor (Chaibakhsh et al., 2014) .................. 41
Figura 13. Estructura química de rojo neutro (Sarwan et al., 2012). ........................................ 41
Figura 14. (a) Semillas y (b) planta de Vinis vinífera (Jeon et al., 2010). ................................. 43
Figura 15. Estructuras químicas de los colorantes catiónicos y polifenoles derivados de
semillas de uva. a) MG; b) CV; c) catequina; d) acido tánico (Jeon et al., 2010). .................... 44
Figura 16. Representación esquemática del Mecanismo de Coagulación (Durov, 2003). ....... 45
Figura 17. (a) Semillas y (b) planta de Plantago psyllium (Mishra et al., 2002) ........................ 47
Figura 18. (a) Semillas y (b) planta de Phaseolus vulgaris (Antov et al., 2010). ...................... 48
Figura 19. (a) Semillas y (b) planta de Vicia faba (Kuki´c et al., 2015). .................................... 50
Figura 20. (a) Semillas, (b) flores y (c) árbol de Acacia mearnsii (Beltrán et al., 2011). ........... 56
Figura 21. Estructura química de Violeta Alizarina (Beltrán et al 2011). .................................. 59
6
Figura 22. (a) Corteza, (b) hojas y (c) árbol de Schinopsis balansae (Quebracho
colorado) (Sánchez et al., 2010). ............................................................................................. 61
Figura 23. Estructura molecular del polímero TBP (Graham et al., 2008). ............................... 65
Figura 24. Hojas de Betula verrucosa utilizadas para la extracción de celulosa
(Liimatainen et al., 2011). ......................................................................................................... 67
Figura 25. Estructura química del polímero hidroxietilcelulosa etoxilato cuaternizada
(Mothar et al 2016). .................................................................................................................. 69
Figura 26. Reacción de HACC preparada por el quitosano y ETA (Yang et al., 2012). ........... 72
Figura 27. Mecanismo de floculación del floculante a base de quitosano injerto anfótero
(Yang et al., 2012). ................................................................................................................... 74
Figura 28. Grano de maíz como el componente químico principal del almidón
(Patterson et al., 2016). ............................................................................................................ 75
Figura 29. Cladodios de Opuntia ficus indica utilizados en el tratamiento de aguas
residuales (FAO, 2013). ........................................................................................................... 81
Figura 30. Ruta de síntesis de BDAT-CTS .............................................................................. 90
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RESUMEN
En esta monografía se realizó la recopilación de información sobre la capacidad de
coagulación y floculación de metales pesados, sólidos en suspensión, turbidez,
colorantes y demanda química de oxígeno presentes en aguas residuales mediante la
aplicación de extractos derivados de fuentes naturales. Para esto, se recolecto y
caracterizó información bibliográfica de quince especies de plantas y dos extraídos de
animales, los cuales se encuentran reportados en la literatura científica con actividad
coagulante y floculante y los convierten en sustituyentes de productos químicos como
el sulfato de aluminio Al2(SO4)3 y el cloruro férrico (FeCl3) conocidos por ser los
coagulantes químicos más utilizados en el proceso de potabilización del agua. El
presente estudio específica, los órganos usados de cada planta, la identificación de los
agentes coagulantes activos de dichas especies, como proteínas, taninos y
carbohidratos principalmente. A fin de caracterizar las condiciones óptimas y prácticas
para los procesos de coagulación y floculación, es fundamental buscar reportes del
mecanismo químico del fenómeno de coagulación y floculación subyacente. Es
importante resaltar, que para resultados óptimos en la actividad de coagulación y
floculación es necesario tener en cuenta los efectos de algunos factores como el pH del
agua, dosis de coagulante y concentración inicial de los contaminantes. Sin embargo,
en algunas especies vegetales, el pH no altera significativamente la capacidad
coagulante en relación con los coagulantes inorgánicos (Mishra et al., 2002). Los
biopolímeros revisados en las diferentes bases de datos han demostrado ser eficientes
con altos valores de remoción de contaminantes, sin embargo hay necesidad de
explorar y ampliar el estudio a escala industrial.
Palabras clave: coagulación, floculación, especies vegetales, mecanismos de
coagulación, tratamiento de aguas.
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1. INTRODUCCIÓN
Hoy en día, la contaminación del agua es sin duda uno de los principales factores
involucrados en el desarrollo humano, teniendo en cuenta su influencia en la vida
humana. Por tanto requiere de investigaciones, cómo mejorar la calidad del agua a
partir de procesos aceptables para el medio ambiente. Entre las técnicas promisorias
para el tratamiento de aguas residuales se encuentra el uso de coagulantes-floculantes
naturales, con el fin de obtener una mejor calidad del agua y generar la reducción del
uso de productos sintéticos nocivos a nivel ambiental y para la salud humana (Flaten,
2001).
Las etapas de coagulación y floculación son procesos esenciales y eficaces en el
tratamiento de las aguas residuales industriales. A partir de estos procesos físicos y
químicos, se obtiene la eliminación de sólidos totales suspendidos, turbidez, color y
metales pesados lo que conlleva a la reducción de la Demanda Química de oxigeno
(DQO). Hasta la fecha, los tipos de especies vegetales que se han utilizado
ampliamente como coagulantes naturales son Moringa oleífera (moringa), Strychnos
potatorum (nirmali), Opuntia ficus indica (cactus) y Jatropha curcas, usados en la
disminución de contaminantes para los tratamientos de aguas residuales (Sánchez-
Martin et al., 2010, Yin, 2010 y Abidin et al., 2013).
Los polímeros orgánicos naturales han llegado a convertirse en gran interés, debido a
que son compuestos que no generan efectos altamente nocivos al medio ambiente y la
salud humana, dada su naturaleza orgánica además de obtenerlos a un bajo costo
(Renault et al., 2009, Yin, 2010, Antov et al., 2012, Fatombi et al., 2013). En los
trabajos experimentales actuales, se ha encontrado variedad de materiales de plantas,
las cuales son fuente de coagulantes naturales, una de las más estudiadas es Moringa
oleífera cuya actividad coagulantes se ha observado a través de la eliminación de la
turbidez, demanda química de oxígeno y metales pesados (Ndabigengensere y
Narasiah, 1998, Okuda et al., 2001 y Ghebremichael et al., 2006), así como
propiedades antimicrobianas (Ghebremichael et al., 2005). De acuerdo a los
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antecedentes reportados en diversos estudios científicos, se puede evidenciar que los
coagulantes y floculantes de origen natural para la eliminación de turbidez, color y
metales pesados presentes en aguas residuales, han sido utilizados desde hace siglos
(Asrafuzzaman et al. 2011); es por esta razón que el presente trabajo pretende
recopilar información de diferentes publicaciones científicas, con el fin de dar a conocer
sus ventajas en el proceso de tratamiento de aguas residuales.
2. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
En los últimos años, diferentes estudios han sido llevados a cabo sobre una variedad
de materiales vegetales y animales, que se pueden utilizar como fuente de coagulantes
naturales. Aunque se han reportado muchos coagulantes de origen vegetal, solamente
cuatro tipos son más conocidos entre la comunidad científica, a saber, semillas de
Nirmali (Strychnos potatorum), Moringa oleífera, taninos, y cactus. La mayoría de los
extractos naturales se derivan de semillas, de hojas, de cortezas, de raíces y de frutas,
extraídos de árboles y de plantas (Pritchard et al, 2009). El Material vegetal que ha
recibido el mayor grado de atención son las semillas de M. oleífera usada como
coagulante primario en la clarificación de aguas. Son diversos los coagulantes
naturales que han sido utilizados en la clarificación de agua dentro de la extensa gama
de productos estudiados hasta la fecha en el mundo. Los componentes coagulantes
activos son principalmente polisacáridos o proteínas, los cuales presentan eficiente
capacidad de coagulación y floculación de diversidad de contaminantes provenientes
de aguas residuales. Por lo tanto, los estudios confirman que son una fuente alternativa
con gran potencial aún no explotado suficientemente. Por lo general, presentan una
mínima toxicidad y, en muchos casos, son productos alimenticios con alto contenido de
carbohidratos y de proteínas solubles en agua (Yin, 2010).
Algunos autores Yin et al. (2009) plantean el uso de polielectrólitos naturales como
alternativas de bajo costo, para remover las partículas suspendidas en las aguas
10
superficiales y residuales. Los agentes coagulantes y floculantes naturales,
principalmente polisacáridos, son considerados ambientalmente aceptables en
comparación con los agentes coagulantes químicos debido a su biodegradabilidad.
Por otro parte, también se reportan investigaciones del uso de agentes coagulantes y
floculantes naturales modificados químicamente, algunos compuestos como los taninos
modificados a partir de la reacción de Mannich, los taninos son derivados de los
extractos acuosos de la corteza de Schinopsis balansae (Silvafloc) y Acacia mearnsii
(Tanfloc). Coagulantes derivados de animales, como el quitosano también son
modificados para mejorar su capacidad de coagulación de contaminantes.
En la literatura científica se han encontrado antecedentes sobre el uso de coagulantes
naturales en Colombia, principalmente en regiones del caribe, debido a que
demuestran que no es posible acceder al agua potable para comunidades de escasos
recursos económicos y, especialmente, la población rural. La mitigación de la
contaminación puede ser tratada con procesos fisicoquímicos como la coagulación y
floculación. A partir de diferentes coagulantes de origen natural modificados y sin
modificar se han probado para la coagulación de diferentes contaminantes del agua,
Incluyendo principalmente extractos de semillas de plantas vegetales, huesos molidos
de crustáceos, y residuos de biomasa (Litter et al., 2010).
Como se ha informado anteriormente, los polímeros orgánicos se han empleado en la
coagulación y floculación en la últimas cuatro décadas, debido a que existen evidencias
que el uso de extractos de especies de plantas y semillas son seguros para la salud
humana en el proceso de potabilización de las aguas, además de poseer propiedades
coagulantes también poseen propiedades antimicrobianas (Okuda et al., 2001).
Mientras que el uso de coagulantes inorgánicos como el sulfato de aluminio es uno de
los coagulantes más ampliamente utilizados en tratamientos convencionales de agua y
aguas residuales. Sin embargo, produce un lodo abundante que es difícil de
deshidratar, su eficacia depende enteramente del pH y cuando se forma en agua fría
los flóculos de alúmina no son muy resistentes mecánicamente. Además, a elevadas
11
concentraciones de aluminio en el agua pueden tener repercusiones en la salud
humana. Por lo tanto, la importancia de la investigación con coagulantes naturales
3. JUSTIFICACIÓN
Actualmente el deterioro ambiental, causado por las actividades industriales,
agroindustriales y el crecimiento demográfico, pone a la sociedad actual en una
situación en la que es necesario replantear tanto los procesos de producción, como los
materiales y sustancias utilizadas para la solución de diferentes problemáticas
ambientales. Una de las preocupaciones ambientales más estudiadas es la
contaminación de los recursos hídricos, generados por la industria textil, curtiembres,
agroindustriales, entre otras. Entre las técnicas más utilizadas en el tratamiento de
aguas residuales industriales es la coagulación y floculación, estos procesos se
realizan con coagulantes químicos o naturales, los cuales son añadidos a las aguas
residuales con el fin de desestabilizar partículas coloidales para el desarrollo de la
agregación de partículas formando grandes flóculos (Šciban et al., 2009).
En la actualidad, los coagulantes químicos como sales de aluminio y de hierro y
polímeros sintéticos como la poliacrilamida son ampliamente utilizados en la
coagulación y floculación de diferentes contaminantes presentes en aguas residuales,
debido a su rendimiento, disponibilidad y costos bajos (Shak y Wu, 2014). Sin embargo,
países en desarrollo como Colombia, difícilmente pueden asumir los costos de
productos químicos importados para el tratamiento de aguas residuales. Además se
presentan efectos nocivos sobre la salud humana y el medio ambiente, debido a que
tienen muy baja biodegradabilidad en el suelo y agua, formando aglomerados residuos
de lodos, los cuales tienen elevados niveles de toxicidad, generando enfermedades
como Alzhéimer así como el hecho de que afectan considerablemente pH del agua
tratada (Vijayaraghavan et al., 2011).
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Por lo tanto, este proyecto es importante debido a que en países con altos índices de
contaminación y en vía de desarrollo como Colombia, requieren adoptar como
alternativa tecnologías verdes a partir de agentes coagulantes y floculantes de fuentes
naturales para el tratamiento de aguas residuales. Teniendo en cuenta que las materias
primas utilizadas como coagulantes son fácilmente encontradas en Colombia, por lo
tanto los costos se reducen y además su grado de toxicidad es bajo y tienen buena
biodegradabilidad.
Por lo descrito anteriormente este trabajo en modalidad de monografía se realizó con el
propósito de recopilar información sobre los agentes coagulantes y floculantes activos
de especies vegetales. Algunos de estos son: proteínas, taninos, polisacáridos, almidón
modificado entre otros, como una alternativa prometedora ya que son altamente
biodegradables, no tóxicos y no corrosivos (Šciban et al., 2009).
4. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
En la actualidad los altos índices de contaminación en el agua son causados por
actividades antrópicas o por condiciones climáticas. El crecimiento continuo de la
industrialización, la agricultura y la urbanización están involucrados en la disminución y
la contaminación de los recursos hídricos en todo el mundo (Wu et al., 2013). Esto se
puede evidenciar en países como Colombia, en donde la industria genera una fuerte
contaminación, por lo cual es imprescindible dar a conocer, los avances de coagulantes
poliméricos naturales, para el tratamiento de aguas residuales.
De acuerdo con lo expuesto anteriormente se plantea la siguiente pregunta de
Investigación:
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¿Qué especies vegetales con actividad coagulante y floculante se han reportado
durante los años 1995 hasta el 2016 para la remoción de metales pesados, sólidos
suspendidos y turbidez en aguas residuales?
5. OBJETIVOS
5.1. OBJETIVO GENERAL
Recopilar información de tipo científico publicada en diferentes fuentes bibliográficas
(Scopus, Science Direct, Springer y Pubmed), en torno al estudio de coagulantes y
floculantes orgánicos de origen natural.
5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar en los estudios realizados, cuáles son los agentes coagulantes activos
presentes en las plantas analizadas, que contribuyen a la disminución de
contaminantes en el agua.
Identificar en la bibliografía consultada, como se lleva a cabo el mecanismo de
coagulación y floculación entre los metabolitos de las plantas y las partículas
coloidales de las aguas.
Identificar en la literatura científica, cómo se ve influenciado el pH y dosis de
coagulante durante la remoción de metales pesados, color y sólidos suspendidos en
agua utilizando coagulantes y floculantes naturales.
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6. MARCO TEORICO CONCEPTUAL
6.1. GENERALIDADES
Los altos índices de contaminación en el agua son causados por actividades antrópicas
o por condiciones climáticas. El crecimiento continuo de la industrialización, la
agricultura y la urbanización están involucrados en la disminución y la contaminación
de los recursos hídricos en todo el mundo (Wu et al., 2013). Por lo tanto es esencial
realizar un tratamiento adecuado a las aguas contaminadas por metales pesados,
color, sólidos suspendidos entre otros. Para contrarrestar los problemas de
contaminación en el agua, en la actualidad se han utilizado procesos fisicoquímicos de
coagulación y floculación a partir de sales químicas las cuales incluyen alumbre, cloruro
férrico y cloruro de polialuminio, como también polímeros orgánicos sintéticos. Aunque
estos coagulantes químicos han mostrado ser eficientes en procesos de coagulación-
floculación, sin embargo presentan desventajas, como los costos de adquisición,
afectan significativamente el pH del agua tratada, producen altas cantidades de lodos,
lo cual genera impactos en el medio ambiente y en la salud humana, como el desarrollo
de la enfermedad de Alzheimer (Flaten 2001). También los polímeros orgánicos
sintéticos, tales como acrilamida, pueden tener efectos neurotóxicos y cancerígenos.
De acuerdo a investigaciones científicas, una posible solución puede ser en sustituir los
coagulantes químicos por coagulantes naturales, que son métodos utilizados para la
eliminación de la turbidez del agua potable. Los componentes coagulantes activos
extraídos de plantas podrían ser alternativas, ya que son aceptables con el medio
ambiente y no generan problemas de salud, debido a que son biodegradables y no
generan lodos voluminosos en comparación con los coagulantes inorgánicos (Sciban et
al., 2009). Además, los coagulantes naturales de origen vegetal son económicamente
viables, debido a que las plantas pueden ser cultivadas localmente (Sanghi et al.,
2006).
15
6.1.1. COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN
Son procesos fisicoquímicos utilizados para eliminar las partículas coloidales de las
aguas residuales industriales. Este fenómeno ocurre al adicionar un agente coagulante,
el cual cancela las cargas electrostáticas de las partículas al tiempo que origina una
compresión de la capa difusa que rodea los coloides, lo cual les permite la formación
de flóculos a través de un mecanismo de puentes entre partículas, produciendo una
malla porosa en función de su radio efectivo, facilitando así la formación de macro
flóculos. Muchos coagulantes son ampliamente utilizados en los procesos de
tratamiento de agua, estos coagulantes pueden clasificarse en coagulantes
inorgánicos, polímeros orgánicos sintéticos y coagulantes de origen natural.
6.1.2. Coagulantes-Floculantes Inorgánicos
Son los más utilizados para el tratamiento de aguas residuales, debido a su
rendimiento, disponibilidad, costo y efectividad (Shak y Wu, 2014). Poseen la
capacidad de actuar como coagulantes y floculantes, cuando son disueltos estos
forman compuestos complejos hidratados. Entre los más utilizados se hallan, sulfato de
aluminio, sulfato férrico, sulfato ferroso, cloruro férrico y el aluminato de sodio. Aunque
estas sales químicas, presentan alta capacidad de coagulación- floculación, pueden
llegar a ser nocivos para la salud humana y el medio ambiente.
6.1.3. Coagulantes- Floculantes Orgánicos Sintéticos
Los coagulantes orgánicos son polímeros solubles en agua que están basados en
unidades repetidas de varios monómeros tales como acrilamida y ácido acrílico. En la
mayoría de los casos, se derivan de materias primas basadas de petróleo y no
16
renovables (Suopajärvi et al., 2013). Generalmente, los polímeros sintéticos se
clasifican en catiónico, aniónico, anfótero y no iónico. La capacidad coagulante es
principalmente influenciada por parámetros como la naturaleza de las cargas, seguida
por el peso molecular y la densidad de carga (Bolto y Gregory, 2007).
Los tipos de floculantes más efectivos son las poliacrilamidas ligeramente aniónicas
con masas moleculares muy elevadas que se aplican en muy bajas concentraciones, lo
que compensa su alto precio (Arboleda 2000). Actualmente se emplea una gran
variedad de polímeros orgánicos sintéticos, sin embargo, la toxicidad de estos
productos es un factor de importancia en tanto que en ocasiones los monómeros que
los componen pueden ser tóxicos, como lo son los monómeros acrílicos.
6.1.4. Coagulantes-Floculantes Naturales
Se consideran una fuente alternativa con un gran potencial, debido a que son
biodegradables y no generan daños al medio ambiente en comparación con
coagulantes inorgánicos y polímeros sintéticos (Renault et al., 2009, Yin, 2010, Antov et
al., 2010, Fatombi et al., 2013). En su mayoría son de origen vegetal, con presencia de
agentes coagulantes activos como carbohidratos, taninos y proteínas. Algunas
especies vegetales que presentan estudios realizados son las semillas de una enorme
variedad plantas como las semillas de maíz y Nirmali (Raghuwanshi et al., 2002),
Jatropha curcas (Abidin et al., 2011), el frijol común (Antov et al., 2010), Cassia
obtusifolia (Sanghi et al., 2002) entre otros. El material que ha recibido mayor grado de
atención son las semillas de Moringa oleífera (Ndabigengesere et al., 1995, Okuda et
al., 1999, NKurunziza et al., 2009, Antov et al., 2010 y Madrona et al., 2011) gracias a
sus componentes activos, los cuales son proteínas catiónicas de diferentes pesos
moleculares, además de poseer capacidad antimicrobiana (Gassenschmidt et al., 1995
y Okuda et al., 2001).
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6.1.5. Mecanismos de coagulación y floculación
Para explicar la interacción de diferentes tipos de agentes coagulantes con las
partículas coloidales presentes en el agua, se han llevado a cabo mediante los
principales mecanismos de coagulación y floculación, como la neutralización de carga,
la formación de puentes, parche electrostático y de barrido (Bohuslav Dobias, 2005). A
partir de dosis optimas de coagulante y floculante en muestras de aguas residuales, el
agente coagulante hace contacto con los coloides suspendidos por adsorción a través
de interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, etc.
Esto conduce a la desestabilización de coloides y suspensiones y posteriormente a un
reordenamiento de la conformación del polímero adsorbido de tal manera que las
partículas en suspensión adsorbidas se agregan para formar grandes flóculos que a
continuación se establecen de manera efectiva (Bolto y Gregory, 2007, Renault et al.,
2009, Chang, 2009).
6.1.5.1. Neutralización de carga
Generalmente el mecanismo adsorción y neutralización de carga se lleva a cabo
cuando el coagulante y las partículas contaminantes son de carga opuesta, para que
las partículas coloidales puedan ser desestabilizadas como se observa en la figura (1).
Por ejemplo, en diferentes estudios revisados, las partículas coloidales en las aguas
residuales están cargadas negativamente, por lo tanto, son preferibles los floculantes
inorgánicos y los polielectrólitos naturales catiónicos.
18
Figura 1. Esquema del mecanismo de coagulación, neutralización de carga (Bohuslav
Dobias, 2005).
Inicialmente en el proceso de coagulación, las partículas coloidales tienden a
aglomerarse bajo la influencia de las fuerzas de Van der Waals, permitiendo la
desestabilización de la suspensión coloidal (Kleimann et al., 2005).
La floculación podría producirse como resultado de la reducción de la carga superficial
de las partículas y por lo tanto, una fuerza de repulsión eléctrica disminuida entre las
partículas coloidales. Por lo cual, las partículas tienden a aglomerarse bajo la influencia
de las fuerzas de Van der Waals y la suspensión coloidal se desestabiliza (Kleimann et
al., 2005). Sin embargo, diferentes estudios sugieren mantener dosis de agentes
coagulantes óptimas, siendo la necesaria para neutralizar la carga de las partículas,
debido a que si se utiliza demasiado polímero, puede ocurrir una inversión de la carga y
las partículas volverán a estar dispersas, pero con una carga positiva en lugar de
cargarse negativamente.
6.1.5.2. Puente de polímero
Este mecanismo se produce generalmente con agentes coagulantes de cadena larga
con alto peso molecular y baja densidad de carga. Los grupos químicos de los
polímeros naturales pueden interaccionar con los sitios de la superficie de las partículas
coloidales. Los polímeros se adsorben sobre las partículas de los contaminantes,
Polímero
Partícula
19
creando así un puente entre partículas como se muestra en la (Fig. 2b) (Sharma et al.,
2006). Para un eficaz mecanismo de puente es necesario tener en cuenta la cantidad
de coagulante, la cual debe ser una cantidad limitada, ya que los altos valores de
coagulante producen coloides reestabilizados, como también no debe ser demasiado
baja debido a que no se podrían formar los suficientes contactos de puente. Por otro
lado, la actividad de coagulación y floculación mediante el mecanismo de puente
polimérico puede producir flóculos mucho más grandes y más fuertes que, formados
mediante otros mecanismos (Bolto y Gregory, 2007).
Figura 2. (a) Adsorción de polímero y formación de flóculos disponibles para la unión.
(b) Puente polimérico entre partículas (agregación) (Sharma et al., 2006).
6.1.5.3. Parche electrostático
En este mecanismo hay formación de parches catiónicos entre regiones de superficies
cargadas negativamente. Los coagulantes catiónicos con carga positiva elevada (fig.
3b) se adsorben sobre partículas coloidales cargados negativamente (fig. 3a), para la
20
formación de parches catiónicos entre las regiones de superficies cargadas
negativamente. Para este mecanismo de parche electrostático la adsorción es a la
inversa y a medida que las partículas se aproximan, hay una atracción electrostática
entre los parches positivos y las áreas negativas (fig. 3c), lo que puede dar la fijación
de las partículas y, por lo tanto, la floculación (Bolto y Gregory, 2007). Los flóculos
producidos de este modo no son tan fuertes como los formados por puente, pero más
fuertes que los floculados formados en presencia de sales metálicas o por
neutralización de carga. La densidad de carga de los agentes floculantes necesita ser
bastante alta para una floculación de parche electrostática eficiente. A medida que se
reduce la densidad de carga, la floculación por puente entre partículas se hace más
probable (Sharma et al., 2006).
Figura 3. (a) Partículas con carga negativa (b) Coagulantes catiónicos (c) Coagulación
por neutralización de carga mediante mecanismo de parche (Sharma et al., 2006).
21
6.1.5.4. Mecanismo de Coagulación de barrido
El mecanismo de floculación de barrido se establece con la adición de agentes
coagulantes a muestras de agua con baja turbidez; en este caso las partículas
coloidales pueden ser atrapadas por el agente coagulante y posteriormente forman
flóculos grandes con una estructura en forma de red tridimensional, debido a su gran
área superficial y una fuerte capacidad de adsorción, los contaminantes residuales en
agua son capaces de ser capturados y arrastrados hacia fuera (Yang et al., 2012).
6.1.6. Impacto Medioambiental
Actualmente, la contaminación del agua resulta de todas las actividades humanas,
domésticas, industriales y agrícolas, las cuales han causado millones de muertes
infantiles cada año, sobre todo países en desarrollo, por lo tanto es necesario
desarrollar y aplicar nuevos tratamientos elementales para la remediación del agua (Wu
et al., 2013). La literatura reporta una multitud de procesos para la descontaminación
de aguas residuales tales como coagulación, precipitación, extracción, evaporación,
adsorción en carbono activado, intercambio de iones, oxidación. El proceso de
coagulación y floculación, se lleva a cabo mediante agentes coagulantes que
desestabilizan las partículas coloidales presentes en el agua, posteriormente las
partículas se aglomeran y forman grandes flóculos para facilidad de sedimentación y
ocurre la reducción de las partículas en suspensión, lo que permite que el agua alcance
las características físicas y organolépticas idóneas para el consumo humano según las
normas y estándares de salud pública (Bratby, 2006, Asrafuzzaman et al., 2011).
Los agentes coagulantes más usados son sales como sulfato de aluminio Al2(SO4)3 y
tricloruro de hierro FeCl3, así como poliacrilamidas sintéticas (Wang et al., 2002).
Aunque estos productos químicos son bastante eficaces en la coagulación y floculación
de turbidez, colorante y sólidos en suspensión de fuentes acuosas residuales, han
22
surgido recientemente varias desventajas, su impacto en las enfermedades como el
Alzheimer y cáncer (Flaten 2001). En varios estudios epidemiológicos,
neuropatológicos y bioquímicos sugieren un posible vínculo entre la neurotoxicidad del
aluminio y la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer. Estas consecuencias han
coadyuvado a que varios autores realicen investigaciones de otras alternativas
aceptables por el medio ambiente. De acuerdo con las sugerencias del Comité
Organización Mundial de la Salud (OMS, 2003) en muchos países en especial los
desarrollados han eliminado los coagulantes sintéticos como las poliacrilamidas de los
plantas de tratamiento de agua potable.
En contraste con los coagulantes químicos, coagulantes naturales de origen vegetal
son seguros, respetuoso del medio ambiente y, en general libre de tóxicos.
Coagulantes naturales se han encontrado para generar no sólo un volumen mucho más
pequeño de lodos de hasta cinco veces más bajos, sino también con un valor
nutricional más alto de lodos. Como tal, los lodos de tratamiento y manejo de los costos
se reducen por lo que es una opción más sostenible. Los extractos de plantas primas
están a menudo disponibles localmente y, por tanto una alternativa de bajo costo para
los coagulantes químicos (Ndabigengesere et al., 1995).
6.1.7. Coagulantes y floculantes en Colombia
Algunos autores han sugerido el uso de agentes coagulantes naturales extraídos del
mucilago y el polvo de los cladodios de Opuntia Ficus Indica (cactus) pertenece a la
familia Cactaceae en el tratamiento de aguas superficiales. Esta especie es una de las
más investigadas porque presenta óptimo rendimiento en el proceso de la coagulación.
Para evaluar la eficacia del extracto de Opuntia ficus indica, se han trabajado con dosis
de 40 mg/L del coagulante y se trataron muestras de agua provenientes de ríos con
una turbidez inicial de 276 NTU. De acuerdo a los reportes, los componentes
coagulantes presentan actividad de coagulación con porcentajes de remoción de
23
turbidez hasta 93,25%. La efectividad de este coagulante da lugar a diversos
beneficios, desde el punto de vista medioambiental, la producción de lodos residuales
con Aluminio y de hierro se eliminarían, mayor biodegradabilidad, por lo tanto genera
menor riesgo de toxicidad (Olivero et al., 2013).
En otros estudios, han utilizado extractos acuosos de las semillas de Moringa oleífera
como una alternativa de biorremediación en la purificación de aguas superficiales.
Mediante dosis de 300 mg/L del coagulante y concentraciones de turbidez con 230
NTU, la actividad de coagulación de turbidez es de 84,34%, estos valores ofrecen una
posibilidad viable y eficiente para las fuentes hídricas contaminadas en nuestro país
(Melo y Turriago, 2012).
24
7. METODOLOGÍA
7.1. BÚSQUEDA Y CATEGORIZACIÓN DE LA INFORMACIÓN
La revisión y recopilación de la información, se realizó a partir de diferentes fuentes
bibliográficas de carácter primario y secundario publicadas durante los años 1995 hasta
el 2016. Estas fuentes consistieron en artículos científicos, tesis, fichas técnicas y
textos académicos recopilados de diferentes bases de datos como Science Direct,
Springer Link, Scopus, Pubmed, entre otras. La búsqueda de investigaciones en la
literatura científica se realizó principalmente con las siguientes palabras, coagulantes y
floculantes naturales para el tratamiento de aguas residuales.
7.2. ELABORACIÓN DEL ESCRITO TIPO MONOGRAFÍA
En este trabajo se encuentra la elaboración de una monografía de tipo cualitativo
exploratoria-descriptiva (Hernández Sampieri et al., 2010). Inicialmente se realizó la
búsqueda y caracterización de investigaciones científicas reportadas en las diferentes
fuentes bibliográficas, con el propósito de extraer y recopilar información de diferentes
coagulantes y floculantes naturales y modificados químicamente, utilizados para la
eliminación de turbidez, solidos suspendidos, colorantes y metales pesados presentes
en aguas residuales. Durante la revisión se tuvieron en cuenta criterios como los
órganos de las especies vegetales, utilizados para la extracción de los componentes
coagulantes activos, la manera en cómo reaccionan los polímeros naturales con las
partículas coloidales del agua a través de diferentes mecanismo de coagulación y la
influencia de algunos factores experimentales como el pH y dosis de coagulante en la
eficacia de la capacidad de coagulación y floculación.
25
8. RESULTADOS
8.1. Coagulantes y floculantes naturales
8.1.1. Moringa oleífera
Moringa oleífera conocida comúnmente como (moringa, árbol de baqueta), pertenece a
la familia Moringácea, es una planta tropical presente en la India, Asia, África y América
Latina (Fig. 4). Sus semillas han sido utilizadas como coagulantes naturales para el co-
tratamiento primario en aguas con arcilla tipo caolín, en la eliminación de turbidez,
solidos totales suspendidos, colorantes y Demanda Química de Oxigeno (DQO). Otros
estudios, han utilizado el extracto acuoso de las hojas de Moringa, como agente
antimicrobiano para la inhibición del crecimiento de bacterias Gram positivas y Gram
negativas, como Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa y Bacillus thuringensis
(Okuda et al., 2001).
Figura 4. (a) Planta y (b) vainas de Moringa oleífera (Okuda et al., 2001).
Las partes utilizadas de Moringa oleífera, son principalmente semillas secas
pulverizadas para extraer los componentes activos que generan actividad coagulante,
entre estas, se utilizan semillas con cascara y sin cascara (Ndabigengesere, 1995,
26
Muyibi y Okuofu, 1995) en contacto con agua destilada o en presencia de solución
salina (NaCl 0,5M). La reducción máxima de la turbidez con M. oleífera se ha
observado en términos generales con porcentajes de reducción de turbidez entre 95%
y 98,2%, a pesar de tener diversas variaciones dadas las características del agua a
tratar. Los extractos crudos de Moringa oleífera, han sido purificados y caracterizados,
utilizando técnicas como la ultrafiltración de intercambio iónico, precipitación química y
electroforesis para extraer los agentes activos que intervienen en el proceso de
coagulación y floculación, como también para disminuir la generación de materia
orgánica. De acuerdo a experimentos de columna de intercambio iónico se evidenció
que las proteínas llevan cargas positivas de punto isoeléctrico (pI) ≥ 10, a partir de
estos resultados se puede afirmar que presenta una naturaleza altamente catiónica
(Ndabigengesere et al., 1995). En investigaciones científicas, se determinaron los
componentes activos de las semillas de Moringa como coagulante, en las que se
encontraron variaciones en los pesos moleculares de sus proteínas. La purificación de
las fracciones de Moringa (MO1 y MO2), demostró la presencia de proteínas de 6,5
kDa, aun así otras investigaciones mediante SDS-PAGE, mostraron proteínas
diméricas de 13 kDa con péptidos de 6,5 kDa (Gassenschmidt et al., 2005). Sin
embargo, algunos autores Okuda et al., (2001) sostienen que el componente activo a
partir de una extracción con una solución de 1,0 M de NaCl no es una proteína,
polisacárido o lípido, pero si un polielectrólito orgánico con peso molecular de
aproximadamente 3,0 kDa. Esto se debe a que en algunos estudios, la extracción del
agente coagulante se realizó con solución salina de 1,0 M NaCl y no con solución
acuosa. De acuerdo a los reportes encontrados, el extracto en solución 1.0 M de NaCl
presenta mayor capacidad coagulante que utilizando como disolvente agua dada la
capacidad electrolítica del NaCl en soluciones acuosas. Los resultados óptimos en la
extracción con solución salina se debe al aumento de la fuerza iónica, que causó el
aumento de la solubilidad de los componentes activos, mejorando su capacidad
neutralizadora de cargas superficiales en las partículas en disolución (fig. 5) (Okuda et
al., 2001).
27
Uno de los factores influyentes en las actividades de coagulación y floculación es el pH,
debido a que los coagulantes y floculantes químicos alteran significativamente el pH
final del agua. Sin embargo, el extracto acuoso de Moringa oleífera no afecta la calidad
final del agua tratada. Según Ndabigengesere (1995), a un pH de 7 las partículas de
caolín se cargan negativamente por lo tanto el proceso de coagulación con extracto
acuoso de semillas Moringa en aguas turbias con caolín es causado por la
desestabilización de los coloides de carga negativa con polielectrólitos catiónicos, este
es el mecanismo de adsorción y neutralización de cargas, siendo el más predominante
para el extracto acuoso de semillas de Moringa. Teniendo en cuenta que los agentes
coagulantes activos en realidad son polielectrólitos catiónicos, los mecanismos para
esta actividad coagulante son la adsorción y neutralización de cargas, o la adsorción y
el puente entre partículas desestabilizadas. El mecanismo de adsorción y puente entre
partículas se produce cuando un coagulante proporciona una cadena polimérica de alto
peso molecular, aumentando en gran medida el número de sitios de adsorción no
ocupados. Por lo tanto, a partir de la adsorción entre partículas de caolín y el
componente activo de coagulación se forman puentes de partículas que sirven como
redes para la formación del coagulo. En los extractos de las semillas con solución
NaCl, la presencia de electrolitos en medio acuoso puede facilitar el efecto coagulante
de coagulantes poliméricos ya que se genera menor repulsión electrostática entre las
partículas permitiendo la formación de una estructura a modo de red en el agua turbia
para eliminar sólidos suspendidos, mediante el mecanismo de coagulación de barrido
(Okuda et al., 2001).
28
Figura 5. Representación esquemática del Mecanismo de coagulación, utilizando el
extracto con solución 1,0 M de NaCl y posteriormente purificada en suspensión de
caolín (Okuda et al., 2001).
Según los resultados obtenidos por estudios científicos, los componentes activos
coagulantes de M. oleífera son sustancias solubles en agua, estos agentes presentan
capacidad coagulante y floculante tanto en semillas con cascaras como sin ella, las
primeras muestran actividad coagulante en el tratamiento de aguas con alta turbidez
inicial 426 NTU, mientras que las semillas sin cascara reportan capacidad coagulante
en aguas con baja turbidez 105 NTU. Por lo tanto ante tratamientos de aguas un
eventual escalamiento a nivel industrial, no es necesario retirar la cascara de la semilla
de la moringa para el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, para aguas con
turbidez inicial de 105 NTU se han utilizado dosis de 50 mg/l de semillas sin cascara,
mientras que se necesitan dosis hasta diez veces mayor para las semillas con cascara,
ya que las proteínas activas están menos concentradas en los extractos acuosos de
semillas con cascara (Ndabigengesere, et al 1995).
Factores físicos y químicos, como concentración de aguas residuales, dosis de
coagulante, pH inicial de las aguas residuales y temperatura, pueden alterar la eficacia
del coagulante natural, sin embargo las muestras tratadas con el extracto de las
semillas de Moringa no tuvieron cambios significativos luego de pequeñas variaciones
29
en las dosis, lo que es una ventaja sobre los coagulantes sintéticos, estableciéndose
como una alternativa viable con valor agregado biodegradable, no tóxica, no afecta el
pH ni la conductividad del agua, además con un lodo producido por la coagulación poco
voluminoso, alta biodegradabilidad y posible reutilización generando cantidades que
van entre el 20 y 30 %, menores frente a las generadas por el empleo de agentes
coagulantes metálicos, como el alumbre (Sciban et al, 2009), por lo tanto puede
considerarse como un sustituto viable de este mismo.
Por otra parte, además de ser las semillas de moringa muy eficientes en el tratamiento
de aguas contaminadas, presentan propiedades antimicrobianas capaces de eliminar
microorganismos presentes en agua como coliformes totales y fecales, debido a que
según estudios in vitro han comprobado la actividad de diferentes partes de la planta
sobre microorganismos patógenos, como Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa,
Streptococcus faecalis, Salmonella typhi y Shigella dysenteriae. Los aceites esenciales
de las hojas, extractos etanólicos de semillas y las hojas de la Moringa, presentan
actividad antifúngica en Trichophyton rubrum y Trichophyton mentagrophytes
(Chuang et al., 2007). Su acción bacteriostática consiste en la disrupción de la
membrana celular por inhibición de enzimas esenciales (Suárez, Entenza y Doerries,
2003). De acuerdo a los reportes encontrados, el principal componente antimicrobiano
presente en la Moringa oleífera es el 4-(4'-O-acetil-α-L-ramnopiranosiloxi)-isotiocionato
de bencilo. A partir de los resultados, los autores demostraron la actividad
antimicrobiana de los extractos de semillas de moringa, los cuales floculan bacterias
Gram positivas y Gram negativas de la misma forma que lo hacen con los coloides del
agua.
8.1.2. Cassia obtusifolia
Cassia obtusifolia pertenece a la familia Fabaceae, conocida como planta de la mala
hierba, es principalmente originaria del Norte, Centro y América del Sur pero tiene
distribución mundial en Asia, África y Oceanía. De acuerdo a los reportes, los tejidos
30
utilizados son generalmente semillas previamente secas (fig. 6), las cuales han sido
estudiadas para el tratamiento de aguas residuales, altamente contaminadas por
solidos totales suspendidos (SST) y demanda química de oxigeno (DQO), obteniendo
hasta un 86,9% y 36,2%, respectivamente (Subramonian et al., 2014).
Figura 6. (a) Vainas y (b) plantas de Cassia obtusifolia (Subramonian et al., 2014)
En algunos estudios científicos, para la caracterización de los agentes coagulantes y
floculantes, se ha utilizado la técnica de espectroscopia infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR), para elucidar los grupos funcionales presentes en muestras del extracto
de C. obtusifolia, utilizando como solvente agua destilada (fig.7). De acuerdo al
espectro generado para semillas de C. obtusifolia, se observan picos que indican la
presencia de galactomanano (Singh et al., 2009). Además se observan picos fuertes
que indican dos grupos funcionales (Fig. 7): una banda ancha en la región de 3285 cm-
1 (estiramiento de O-H), así como bandas en las regiones 2921 y 2852 cm-1 (simétrica
y asimétrica de estiramiento de C-H). A partir de los análisis espectrales se puede
concluir que los dos grupos funcionales presentes en C. obtusifolia son atribuidas
posiblemente a las estructuras de proteínas y ácidos grasos (Singh et al., 2009).
31
Figura 7. Espectro infrarrojo de flóculos formados con C.obtusifolia (Singh et al., 2009).
La presencia de grupos cis-hidroxilo quelantes de metales en la goma de la semilla de
C. obtusifolia, también ayuda a establecer y entender su capacidad como adsorbente
(Singh et al., 2009). En algunos trabajos experimentales, sugieren utilizar goma de
semilla de C. obtusifolia sin modificaciones químicas, debido a que es un polímero
natural no iónico que produce alta actividad coagulante y floculante a un pH de 4
(Yongabi, 2010). Teniendo en cuenta que es un coagulante natural y por tanto para la
coagulación óptima de los contaminantes en suspensión son necesarios valores de pH
bajos, porque en medio acido, las partículas del polímero natural proporcionan una
superficie cargada positivamente logrando reaccionar con las partículas coloidales con
cargas negativas (Perng et al., 2014).
Para determinar la actividad coagulante de C. obtusifolia se han utilizado dosis de 0,75
g / L de agente coagulante para la coagulación de solidos suspendidos y Demanda
Química de Oxigeno en aguas residuales, las concentraciones de estos contaminantes
fueron 841 mg / L, y 1453 mg / L, respectivamente. A partir de la dosis optima 0,75 g /
L del extracto acuoso de las semillas de C. obtusifolia, los porcentajes de coagulación
son de hasta el 86,9 % de sólidos suspendidos y el 36,2% de la demanda química de
oxígeno. De acuerdo a los resultados, las proteínas presentes en las semillas de C.
obtusifolia pueden llegar a ser un eficaz coagulante y floculante natural.
Los mecanismos de coagulación generados en los componentes activos de
C.obtusifolia con las partículas contaminantes coloidales presentes en el agua son la
32
combinación de varios mecanismos, como son adsorción y neutralización de la carga,
floculación de barrido, adsorción y puente entre partículas, en función del tipo de
coagulante. A partir de la relación de estos mecanismos se produce una óptima
actividad de coagulación para la eliminación de SST y de la DQO. La goma de las
semillas de C. obtusifolia presenta componentes no iónicos, los cuales pueden
funcionar a través del mecanismo de coagulación de puente entre partículas (adsorción
a través interacciones electrostáticas) en solución ácida (Kursun, 2010). Un mecanismo
de puente de hidrógeno se evidencia, cuando las partículas del polímero C. obtusifolia
se adsorben sobre los sitios de la superficie de las partículas coloidales
contaminantes, este mecanismo también conocido como la desestabilización de las
partículas, forma complejos de partículas de polímero con partículas coloidales (Singh
et al., 2009). En general, la alta eficiencia de remoción de DQO y SST utilizando el
extracto de C. obtusifolia, puede ser debido a sinergias entre los mecanismos de
adsorción y puente de hidrógeno.
Para una óptima remoción de DQO y SST, es necesario estudiar los efectos de la
concentración de la muestra de agua, la dosis de coagulante, pH inicial del agua,
tiempo de establecimiento, la velocidad de agitación y la temperatura. Algunos autores
han utilizado como coagulantes natural el extracto de Cassia obtusifolia, para el
tratamiento de aguas agroindustriales contaminadas con aceite de palma, a partir del
cual sugieren utilizar la cantidad de dosis de coagulante de acuerdo a la concentración
inicial de contaminantes de las aguas residuales, para la eliminación con éxito de SST
y DQO (Sanghi et al., 2006). Por otra parte, el pH es un parámetro altamente variable
en el proceso de coagulación y floculación dada la naturaleza del agua residual, por
ejemplo autores como Yongabi, (2010), asegura que a bajos pH, se obtiene un mayor
número de partículas con carga positiva dispersas en la suspensión, disponibles para
reaccionar con los coloides cargados negativamente. Por lo tanto el uso de semillas de
C. obtusifolia como coagulantes y floculantes en el tratamiento de aguas residuales
agroindustriales son eficaces en medio ácido. Teniendo en cuenta los estudios
experimentales, los autores sugieren ajustar el pH inicial a 4. Este fenómeno podría
explicarse por la naturaleza de las partículas coloidales, que tienden a ser cargada
33
negativamente a pH superior y permanecen en forma catiónica a un pH inferior. Por lo
tanto, la carga neta de las partículas coloidales depende del pH, debido a que el
equilibrio de carga se basa en el ajuste de los iones H+ y OH–. Manteniendo un pH
equilibrado, se obtiene uno de los mecanismos, adsorción y neutralización de carga,
por medio del cual se puede neutralizar eficazmente y eliminar las fuerzas de repulsión,
que separan las partículas coloidales y que permiten que la coagulación se lleve a cabo
a través de fuerzas de van der Waals (Bhatia et al., 2007). Las partículas coloidales
son atraídas por agentes coagulantes o floculantes de C. obtusifolia a través de
interacciones electrostáticas en el mecanismo de transición.
Según Marriot y Robertson (1997), la temperatura es otro factor que puede alterar la
eficacia de la actividad de coagulación, debido a que a temperaturas altas tiende a
presentarse rotura de los flóculos, reduciendo el tamaño de estos y por tanto no se
obtiene remoción de los contaminantes del agua (Bhatia et al., 2007). Sin embargo este
fenómeno se presenta principalmente con el uso de coagulantes químicos como el
alumbre. Por lo tanto, la goma de semilla de C. obtusifolia puede ser utilizada para la
remoción de SST y DQO a altas temperaturas, de hasta 90 °C (Shang et al., 2012).
8.1.3. Jatropha curcas
Jatropha curcas (piñón manso) es una planta de la familia Euphorbiaceae,
perteneciente al grupo de las oleaginosas, de acuerdo a estudios, las semillas y los
residuos después de la extracción de aceite de esta especie contienen principios
activos que exhiben alta actividad coagulante, como desinfectante, en comparación con
el alumbre, utilizados en el tratamiento de aguas residuales (Pritchard et al., 2009;
Abidin et al., 2011).
Para la extracción del agente coagulante, se han usado semillas sin cascara
previamente pulverizadas mezcladas con diferentes disolventes, como cloruro de sodio
(NaCl), hidróxido de sodio (NaOH), y agua destilada. De acuerdo a los trabajos
34
experimentales, las concentraciones óptimas encontradas fueron 0,5 M NaCl, 0,05 M
NaOH y agua destilada. Además algunos autores han utilizado la técnica de
ultrasonido, a partir de la mezcla del polvo de las semillas con las concentraciones de
los disolventes anteriores, con el fin de mejorar la eficacia de la extracción del agente
coagulante (Sayyar et al., 2011). Según los reportes de trabajos científicos, los
componentes activos de las semillas J. curcas son proteínas catiónicas solubles (fig. 8)
(Abidin et al., 2011).
Figura 8. (a) Semillas, (b) hojas y (c) planta de Jatropha curcas (Abidin et al., 2011).
A nivel experimental, se ha encontrado que el mejor disolvente para extraer el agente
coagulante de J. curcas es mediante una solución 0,5 M cloruro de sodio (NaCl), y para
determinar la capacidad coagulante han utilizado dosis de 120 mg / L a pH 3. De
acuerdo a los reportes en la literatura, a partir de esas condiciones óptimas, se han
obtenido eficaz capacidad de coagulación de turbidez de aproximadamente el 99%.
Teniendo en cuenta que el agente coagulante posiblemente es una proteína catiónica,
a medida que se aumenta la concentración de NaCl también aumenta la cantidad de
agente coagulante y por lo tanto se produce una mejor solubilidad de la proteína, de la
capacidad electrolítica y a su vez generando un aumento en la concentración gracias al
fenómeno de desplazamiento salino (Voet y Voet, 1990; Nelson y Cox, 2008).
35
Las variables a tener en cuenta para el uso de esta planta como coagulante, tienen en
cuenta la dosis, el pH y la temperatura del agua residual. Un estudio previo (Abidin et
al., 2011) encontró que el extracto de las semillas de J. curcas en una solución de 0,5
M de NaCl es eficiente como coagulante natural en condiciones ácidas, especialmente
a pH 3, logrando una reducción significativa en la eliminación de la turbidez, confirmado
por una correlación negativa entre el aumento del pH y la eficiencia de remoción de la
turbidez.
Según los resultados de diferentes investigaciones, los autores Abidin et al. (2011)
sugieren no realizar purificación del extracto acuoso de las semillas mediante la técnica
asistida por ultrasonido, debido a que los porcentajes de eliminación de turbidez
obtenidos por esta técnica son similares a los reportados por el extracto crudo. Además
requiere más energía por el método de ultrasonido. Teniendo en cuenta estas
desventajas, el método de extracción convencional es viable para obtener actividad
coagulante.
8.1.4. Aesculus hyppocastanum y Quercus robur
Se estudiaron las especies Aesculus hyppocastanum (castaño de indias) y Quercus
robur (Roble común) de la familia Sapindácea, Quercus cerris (Roble turco) Quercus
rubra (Roble rojo) y Castañea sativa (Castaño) de la familia Fagaceae. Son plantas
nativas y abundantes en Europa, las cuales según reportes científicos son eficaces en
el tratamiento de aguas residuales mediante la eliminación de turbidez y los sólidos
suspendidos a diferentes valores de pH (Sciban et al., 2009).
36
Figura 9. (a) Semillas y flores de Aesculus hyppocastanum y (c) semillas y hojas de
Quercus robur (Sciban et al., 2009).
Con el fin remover la turbidez de aguas residuales, sin aumentar la carga de materia
orgánica, se han usado diversos tipos de extracciones para obtener solamente los
metabolitos secundarios activos de algunas especies de plantas mencionadas. Las
semillas de varias especies de castaño y bellota han demostrado ser promisorios
coagulantes naturales. Entre estos se cuentan extractos a partir de semillas secas y
molidas de A. hyppocastanum, C. sativa, Q. robur, Q. cerris y P. rubra, en todas las
especies, las extracciones se realizaron mediante solventes de distinta polaridad, agua
destilada y soluciones electrolíticas con diferentes sales.
Los autores Sciban et al., (2009) determinaron los componentes coagulantes activos
mediante las muestras sólidas de castaño y bellotas y los extractos en agua destilada,
con una proporción de agua (50 g: 1 L de agua). Los extractos acuosos de castaña
europea (C. sativa) y castaño (A. Hyppocastanum), presentan óptimos contenidos de
proteínas 55.4% y 45.6%, respectivamente. Según Ndabigengesere y Narasiah, (1998)
estos porcentajes de proteínas fueron tres a 10 veces menores que la concentración de
proteína en el extracto acuoso de M. oleífera.
Los resultados han mostrado que el pH más adecuado para llevar a cabo el proceso de
coagulación con extractos de semillas de Castaño de India y Roble común fue a pH 10,
con puntos isoeléctricos (pI) entre 4 y 6, debido que a pH superiores las proteínas en
extracto crudo de Castaño de indias y Roble común tenían naturaleza aniónica. Según
37
los reportes, el proceso eficaz de coagulación de partículas suspendidas en el agua
con cargas positivas mediante el agente coagulante activo con carga negativa, se llevó
a cabo a partir del mecanismo de barrido, formando una estructura en forma de red
(Okuda et al., 2001).
Algunos parámetros físicos y químicos influyen en el proceso de coagulación como la
composición y dosis del coagulante, la concentración de agua residual, turbidez inicial
del agua, pH y temperatura. Teniendo en cuenta que la actividad de coagulación
depende de la dosis del coagulante y la concentración de contaminantes suspendidos
en el agua (Okuda et al., 2001), los autores recomiendan utilizar dosis más bajas de los
extractos crudos de castaño de indias y bellota del roble común, debido a que mayores
dosis genera aumento en la carga de materia orgánica y por ende en el parámetro de
DQO.
De acuerdo a los resultados, la eficiencia de extracción de proteínas mostró que el
mayor contenido de proteínas presentes en la semilla C. sativa (castaño europeo) y A.
hyppocastanum (castaño de indias) fueron de 55,4% y 45,6% respectivamente. Todas
las concentraciones de proteínas en los extractos crudos fueron 3 a 10 veces menores
que la concentración de proteína en el extracto de agua de M. oleífera
(Ndabigengesere y Narasiah, 1998). Todos los extractos analizados tienen una
capacidad de coagulación y sus cantidades dependían de valores de pH y turbidez
iniciales. Los extractos de semillas de castaño y de roble común fueron la expresión de
las actividades de la coagulación más altos, alrededor del 80% y 70%,
respectivamente, con una dosis de coagulante de 0,5 mg /L.
8.1.5. Abelmoschus esculentus
Abelmoschus esculentus (okra mucílago) es una especie de la familia Malváceae. Okra
es nativa de África, con el tiempo se ha extendido hasta alcanzar una distribución
cosmopolita, especialmente en países tropicales y subtropicales. Esta planta presenta
38
alta productividad como coagulante natural para el tratamiento de aguas residuales
provenientes de la industria textil, debido a que los componentes de la goma de Okra
son polisacáridos solubles en agua, capaces de desestabilizar suspensiones coloidales
y por lo tanto presentan floculación de las partículas pequeñas y la reducción de la
turbidez. El uso de esta planta deriva de la utilización de las vainas provenientes de
residuos de plaza usados en la extracción del mucilago mediante diferentes
disolventes, como soluciones de cloruro de sodio (NaCl), cloruro de potasio (KCl),
nitrato de sodio (NaNO3), y agua destilada. Sin embargo, a partir de la extracción en
solución acuosa, se han obtenido altos rendimientos frente a los demás solventes
usados (fig.10) (Freitas et al., 2015). Diversos estudios, han demostrado que el
mucilago de okra contiene sustancias viscosas denominadas polisacáridos extraíbles
con agua y a dosis bajas contribuyen en acciones coagulantes y floculantes en el
tratamiento de aguas.
Figura 10. (a) Semillas y (b) plantas de Abelmoschus esculentus (Freitas et al., 2015)
Los agentes coagulantes presentes en el extracto de vainas de Abelmoschus
esculentus, han sido identificados por espectroscopia infrarroja. A partir del espectro de
mucilago okra (fig. 11) se evidencian algunas bandas de absorción alrededor de 1200-
950 cm-1, los cuales son característicos de polisacáridos. Los polisacáridos extraídos
con agua están compuestos por D-galactosa, L-ramnosa y L-ácido galacturonico,
considerados como sustancias solubles en agua, los cuales son capaces de
39
desestabilizar suspensiones coloidales y por lo tanto son capaces de generar
floculación de partículas pequeñas (Freitas et al., 2015).
Figura 11. Espectro FT-IR del mucilago de okra (A. esculentus) (Freitas et al., 2015).
En la literatura se encuentra que la máxima eficiencia de coagulación de turbidez, DQO
y color de aguas residuales se han obtenido con dosis relativamente bajas con 3.20 mg
/ L mucílago de okra a un pH de 6 para obtener valores de remoción del 97,24% de
turbidez, 93,57% de color y 85,69% de reducción de DQO. La turbidez, color y
eliminación de la DQO aumentaron gradualmente con el aumento en los valores de pH
hasta que se alcanzó el valor máximo.
El efecto del pH en el proceso de coagulación, es muy importante, debido a que este
interviene directamente en el porcentaje de remoción de turbidez y en la Demanda
Química de oxígeno. Por ende, dichos estudios sugieren llevar a cabo el proceso de
tratamiento primario acidificando el agua residual hasta pH de 6, ya que en estas
condiciones se logran obtener porcentajes de eliminación de turbidez del 97,24% y
DQO del 85,69% (Mishra et al., 2002). Con un aumento por encima del pH óptimo, el
porcentaje de eliminación de la turbidez, color y DQO disminuyó. Sin embargo, los
cambios de pH no afectan significativamente a la eficiencia del polímero natural (Mishra
et al., 2002).
40
Teniendo en cuenta que el valor óptimo de pH es ligeramente ácido y que mucílago
Okra es un polisacárido aniónico natural. La coagulación se puede producir mediante
dos mecanismos diferentes: (1) adsorción y neutralización de la carga, este mecanismo
se lleva a cabo en el proceso de coagulación, a través de la adsorción de las partículas
coloidales en la superficie del polisacárido, producido por la interacción de enlaces
dipolo-dipolo, que desestabilizan las partículas coloidales contaminantes, permitiendo
la formación de flóculos. (2) Mecanismo de adsorción y puente de hidrógeno, teniendo
en cuenta que los estudios sugieren que el principal agente coagulante del mucilago de
okra es el ácido galacturónico, su capacidad como polielectrólito aniónico permite la
desprotonación parcial del grupo funcional carboxilo en solución acuosa
proporcionando un grupo R-COO-, que actúa como un sitio de adsorción química de
cationes, por lo cual coadyuvan a la formación de puentes de hidrogeno y al aumento
del número de sitios de adsorción no ocupados (Yin, 2010).
8.1.6. Plantago mayor L.
Plantago mayor L. (llantén mayor) es una especie que pertenece a la familia
Plantaginácea. Planta que crece en áreas húmedas y con distribución cosmopolita
(Webb et al., 1988). Las principales partes de P. mayor utilizadas para el proceso de
coagulación y floculación son semillas secas y pulverizadas (fig. 12), mezcladas con
agua destilada y solución de NaCl al 0,9% para la extracción de los agentes
coagulantes (Beltrán-Heredia et al., 2009), los autores afirman que los componentes
activos de las semillas de P. mayor son polisacáridos con propiedades viscosas, que
intervienen en los procesos de coagulación y posterior el de floculación, para la
eliminación de colorantes presentes en aguas residuales.
41
Figura 12. (a) Semillas y (b) Planta de Plantago mayor (Chaibakhsh et al., 2014)
Con el fin de obtener resultados específicos sobre la acción coagulante de esta planta,
se ha evaluado en muestras de agua con colorante rojo neutro C.I. 50040, (Fig. 13),
(Sarwan et al., 2012).
Figura 13. Estructura química de rojo neutro (Sarwan et al., 2012).
De acuerdo a los resultados reportados, mediante condiciones óptimas de 297,6 mg / L
y a pH 6,5 se han obtenido reducciones del 92% de eliminación de color y 82% de
DQO. Por otra parte, la eliminación del color es altamente dependiente del pH como de
las dosis del agente coagulante, por lo tanto, la mayor actividad coagulante para
eliminación de color rojo se encuentra en el rango de pH de 5,5 a 6,5. Aunque las
variaciones en el pH no afectan significativamente la eficiencia de los coagulantes
naturales (Mishra y Bajpai, 2005). Por lo tanto, dicha eficiencia en la eliminación podría
ser debida a las partículas catiónicas del colorante. Por ende, se ha sugerido que el
principal mecanismo de coagulación es el de adsorción y neutralización de las cargas
de las moléculas del colorante, que al cargarse positivamente a un pH más alto,
conduce a su desestabilización y posteriormente al proceso de floculación. La
42
desestabilización de los coloides se produce debido a las interacciones químicas entre
las moléculas del colorante y las del coagulante P. mayor. Posteriormente se genera el
proceso de floculación con la formación de flóculos, estos comienzan a crecer mediante
el mecanismo de adsorción y atracción electrostática tipo puente de hidrogeno, debido
a que el mucilago de P. mayor es un polisacárido, que contiene largas cadenas
ramificadas, las cuales forman estructuras fibrosas durante los procesos de
coagulación y floculación (Beltrán Heredia et al., 2009).
Diferentes autores sugieren que, para obtener un proceso de coagulación eficaz, es
importante tener en cuenta que la estructura de los contaminantes (colorante rojo
neutro) este debe contener moléculas lineales (Beltrán Heredia et al., 2009). Por eso
mismo la capacidad de coagulación en la eliminación del color con extracto de semillas
de P. mayor fue relativamente alta. Usando otros colorantes aniónicos como el azul de
metileno, ya que tiene una estructura similar a la del rojo neutro, pero basicidad
diferente. Aun así, la eficacia del coagulante no se ve impactada irreversiblemente por
efecto del pH. Usando P. mayor, otros colorantes como verde malaquita y el rojo 9
básico no demostraron ser eficientes, debido a sus estructuras no lineales. De acuerdo
a lo anterior, diversos autores sugieren que para un proceso óptimo de coagulación con
esta especie se deben preferir moléculas lineales en vez de no lineales (Beltrán
Heredia et al., 2009).
8.1.7. Vitis vinífera
Vitis vinífera (uva), pertenece a la familia de las Vitáceas. Originaria del suroeste de
Asia y del centro y suroeste de Europa. Actualmente su uso se extiende principalmente
en países de climas templados. Las semillas de Vitis vinífera (fig. 14) contienen altos
contenidos de polifenoles, por lo que se hace necesario recopilar estudios sobre la uva
como coagulante natural, gracias a que diversas investigaciones demuestran que estos
componentes coadyuvan en el tratamiento primario mediante el proceso de
43
coagulación y floculación (Jeon et al., 2009). El extracto etanólico de semilla de uva, se
presenta como buena fuente de polifenoles tales como los flavonoides y taninos
(Yilmaz y Toledo, 2004), además el uso de este subproducto de una fuente vegetal
renovable es económica y disponible en grandes cantidades. En trabajos
experimentales se han reportado, la capacidad del extracto etanólico de Vitis vinífera
para actuar como coagulante natural para la eliminación de colorantes catiónicos como
verde malaquita (GM) y cristal violeta (CV) presentes en aguas residuales de tipo
industrial tipo mutagénicos.
Figura 14. (a) Semillas y (b) planta de Vinis vinífera (Jeon et al., 2009).
Los colorantes catiónicos MG y CV son reducidos gracias al extracto de etanólico de
semillas de uva (fig. 15). Según estudios, dicho extracto contiene grandes cantidades
de polifenoles naturales tales como catequina y diversos taninos, agentes coagulantes
utilizados para eliminar los contaminantes orgánicos catiónicos presentes en aguas
residuales. A dosis de 1,5 g / L de peso seco mostró la mejor capacidad de
decoloración y coagulación de MG y CV hasta 0,0055 g / L, seguido de la formación de
flóculos, lo que indica que el extracto etanólico de uva puede inducir la coagulación y la
floculación de MG y CV mediante interacciones supramoleculares entre colorantes
catiónicos y extractos etanólicos, en solución acuosa.
44
Figura 15. Estructuras químicas de los colorantes catiónicos y polifenoles derivados de
semillas de uva. a) MG; b) CV; c) catequina; d) acido tánico (Jeon et al., 2009).
45
Figura 16. Representación esquemática del Mecanismo de Coagulación (Durov, 2003).
Con base a investigaciones, los mecanismos de coagulación implicados en la
reducción de verde malaquita MG y cristal violeta CV por los polifenoles naturales
derivados de semilla de uva puede ser como se evidencia en la figura 16. En el
esquema se pueden observar tres estados diferentes, la interacción supramolecular,
flóculos coloidales y flóculos precipitados, formados a través de procesos
fisicoquímicos. Después de la etapa interacción supramolecular inicial que neutraliza
los colorantes catiónicos se da el desarrollo de flóculos coloidales, los cuales son
preformados y podrían a su vez actuar como puentes de hidrógeno para el crecimiento
de dichos flóculos.
La eficiencia de la actividad coagulante y decoloración del colorante, depende
generalmente de factores externos como los cambios de pH. Por lo tanto, se han
estudiado las influencias de esta variable sobre la decoloración de MG y CV mediado
por el extracto etanólico de uva, encontrando eficiencias máximas de eliminación de los
46
colorantes a pH específicos, la decoloración de MG se efectuó a un pH 5 y
decoloración de CV a pH 6 (Jeon et al., 2009).
Según los reportes de estudios científicos, a partir del perfil cromatográfico HPLC de
los flóculos precipitados, se logró identificar que el principal efecto de dichos polifenoles
es la generación de interacciones supramoleculares iniciales entre polifenoles naturales
y colorantes catiónicos que generan formación y variación del tamaño de los flóculos
presentes en el agua. De acuerdo a esto, los mecanismos de coagulación y floculación
pueden basarse en dos principios (Bolto y Gregory, 2007): puente de hidrógeno y
neutralización de carga.
Los polímeros orgánicos son adsorbidos sobre las partículas contaminantes. En el
proceso de floculación, se lleva a cabo el mecanismo de puente de hidrógeno para
coagulantes y floculantes orgánicos con cadenas de polímeros lineales de alto peso
molecular que sirven a su vez para generar un barrido de los contaminantes. En el
proceso de coagulación y floculación es preferible utilizar los polímeros con
configuraciones lineales de alto peso molecular, ya que ofrecen resistencia a la fuerza
de corte y aceleran la formación flóculos de más fuertes por esto, los polifenoles de
Vitis vinífera, mostraron porcentajes relativamente bajos en la formación de flóculos en
comparación con otros coagulantes tanto orgánicos como inorgánicos. Esto se debe a
que tanto los pesos moleculares relativamente bajos y las bajas linealidades de las
cadenas de polifenoles derivadas de las semillas de la uva, resultan ineficientes en la
formación de flóculos.
8.1.8. Plantago psyllium
La capacidad coagulante de Plantago psyllium conocida comúnmente (zaragatona)
(fig.17). Este género pertenece a la familia Plantaginácea, utilizada en la eliminación de
lixiviados y sólidos suspendidos en aguas residuales (Mishra et al., 2002). Los
antecedentes sobre este polímero natural, muestran que es útil como floculante para la
47
disminución de contaminantes que se presentan en aguas residuales, provenientes
industrias textiles, de alcantarillado y curtiduría (Mishra et al., 2002). A nivel
experimental, se han identificado los agentes coagulantes del mucilago, obtenidos de
las cascaras de Plantago Psyllium, como polisacáridos aniónicos de L-arabinosa, D-
xilosa, y D-ácido galacturonico.
Figura 17. (a) Semillas y (b) planta de Plantago psyllium (Mishra et al., 2002).
El mecanismo de coagulación utilizado en este caso es el de neutralización de la carga,
que regula la eliminación de contaminantes, ya que los coagulantes naturales del
extracto de las cascaras de psyllium son polímeros que llevan carga negativa y por
ende tienen atracciones electrostáticas a partículas coloidales con carga positiva. Por lo
tanto, la combinación de cargas negativas y positivas da como resultado una
neutralización y aglomeración de las partículas contaminantes (Wang et al., 2002).
La capacidad óptima de coagulación y floculación es dependiente de la dosis del
mucílago, tiempo de contacto y el pH de las aguas residuales. La eficiencia de la
floculación es sensible al pH cuando se utilizan soluciones acuosas puras de
colorantes, pero es relativamente poco afectada por el cambio de pH cuando se
añaden sales electrolíticas a las soluciones de colorantes (Mishra et al., 2005).
Se encontró que la dosis óptima de la cáscara de psyllium como coagulante es de 0,4 g
/ L y las eficiencias de eliminación de DQO, color y TSS son del 17%, 27% y 41%,
respectivamente, lo que podría atribuirse a los componentes de mucílago de la cáscara
48
de P. psyllium que adhiere las partículas a la parte gomosa del mismo, estableciendo
un mecanismo de barrido. De acuerdo a los resultados se puede concluir, que la
utilización de la cáscara de psyllium no es eficiente por si sola pero en presencia de
sales electrolíticas mejora exponencialmente, por lo tanto las bajas eficiencias de
remoción de DQO, color y SST (Mishra et al., 2002). Según varios trabajos
experimentales, para obtener alta actividad coagulante, en la eliminación de lixiviados,
solidos suspendidos y DQO, sugieren utilizar alumbre con extracto de las cáscaras de
P. psyllium, como coadyuvante del proceso de coagulación.
8.1.9. Phaseolus vulgaris
Phaseolus vulgaris (frijol común) pertenece a la familia Fabácea (fig.18). Para
determinar la actividad coagulante de los agentes activos del frijol común, los órganos
vegetales de esta especie son generalmente las semillas pulverizadas suspendidas en
una solución 0,5 M de cloruro de sodio NaCl, el extracto crudo de las semillas y
purificado por ultrafiltración se ha utilizado para la eliminación de la turbidez del agua,
preparada con caolín y agua cruda (Antov et al., 2010).
Figura 18. (a) Semillas y (b) planta de Phaseolus vulgaris (Antov et al., 2010).
49
La actividad coagulante del extracto crudo y del extracto purificado se atribuye al
contenido de las proteínas en el frijol común, (Antov et al., 2010). Además, las semillas
de P. vulgaris son una fuente valiosa de proteínas cuyo contenido es de
aproximadamente 20-30%. Según los estudios, entre dichas proteínas se encuentran la
faseolina o globulina, haciendo parte de la mitad del contenido total de proteína en la
semilla, el peso molecular es de aproximadamente 50 kDa, mientras que la albúmina,
prolamina y glutelina representan las otras fracciones de proteínas en las semillas de
frijol.
Por otra parte, para la técnica de ultrafiltración se han estudiado tres fracciones,
obtenidas a partir de los componentes activos del extracto del frijol y posteriormente el
uso de membranas polietersulfona de ultrafiltración de manera consecutiva, que tienen
de corte 10.000 y 30.000 Da. Después de cada etapa de ultrafiltración, volúmenes de
materiales retenidos se ajustan al valor de volumen inicial con 0,5 M de NaCl. Los
componentes de la primera fracción tienen un peso molecular de 10 Da, la segunda
fracción con peso molecular entre 10 y 30 Da y la tercera fracción con 30 Da de corte.
Las tres fracciones mencionadas han mostrado diferentes concentraciones de
proteínas, para la primera fracción 0,36 mg/ml, la segunda fracción con una
concentración de 0,04 mg/ml y la tercera fracción, presentó la más alta concentración
de proteínas 0,47 mg/ml en comparación con las otras dos fracciones, debido a que en
su mayoría contenían moléculas con un peso molecular superior a 30 kDa, mientras
que la concentración de proteína en el extracto crudo fue 0,86 mg/ml, encontrando a su
vez la mayor eficiencia de remoción de turbidez para este último (Antov et al., 2010).
No obstante, el extracto crudo genera mayor cantidad de materia orgánica, por lo tanto
es necesaria la purificación de este en pro de obtener resultados óptimos, teniendo en
cuenta esto la tercera fracción tiene una óptima actividad coagulante, con 47,7% de
disminución de turbidez y con un 2,32% de remoción de DQO, sin el problema del
aumento en la carga de materia orgánica (Okuda et al., 2001, Ghebremichael et al.,
2006 y Antov et al. de 2010). Aun así, al comparar la eficiencia del extracto crudo de
frijol común y la fracción purificada por ultrafiltración en la eliminación de la turbidez,
estos fueron más bajos que el de los coagulantes naturales M. oleífera y otros
50
materiales vegetales (Ndabigengensere y Narasiah de 1998, Okuda et al., 2001 y
Sánchez-Martin et al., 2010).
La eficacia de la actividad coagulante del extracto de semillas y las fracciones
purificadas está relacionada con los valores de pH, debido a que en ensayos
experimentales a pH 9 la eficacia de la actividad coagulante se ve afectada, mientras
que a un pH 10 se ha reportado el máximo de capacidad coagulante (Antov et al.,
2010).
8.1.10. Vicia faba L.
Vicia faba L. conocida comúnmente (haba) es un cultivo muy antiguo de altos valores
nutricionales. Pertenece a la familia Fabácea y comúnmente esta especie ha sido
utilizada para descontaminación del agua, en especial en zonas rurales (fig. 19). A
pesar de este tipo de reconocimiento etnobotánico, no se encuentran muchas
publicaciones como coagulante natural. Las partes utilizadas de Vicia faba en los
artículos encontrados son semillas enteras, las cuales deben estar previamente
molidas, que luego fueron sometidas a extracción mediante agua destilada y una
solución cloruro de sodio 1M (NaCl). Sin embargo, los autores Kukić et al. (2015)
sugieren la extracción de los agentes coagulantes activos de las semillas de habas en
solución acuosa debido a que la actividad de coagulación de extracto con solución
salina 0,5 M NaCl disminuye alrededor de 25%.
Figura 19. (a) Semillas y (b) planta de Vicia faba (Kuki´c et al., 2015).
51
Con el fin de obtener información sobre los agentes activos responsables de la
actividad coagulante en extracto de crudo de haba, diferentes estudios sugieren que las
proteínas de esta planta son las principales responsables de los procesos de
coagulación (Ndabigengesere et al., 1995 y Ghebremichael et al., 2006). Los extractos
obtenidos fueron analizados y se determinó el contenido de proteínas, ácido fítico y
fenoles totales, de acuerdo a los autores se sabe que las proteínas intervienen en la
actividad de coagulación, pero además compuestos fenólicos como taninos y ácido
fítico también contribuyen a la actividad de coagulación de turbidez con el extracto de
habas (Crépon et al., 2010; Vasić et al., 2012). Sin embargo, el contenido de proteínas
en el extracto acuoso de las semillas de habas están presentes en concentraciones
más altas que los componentes fenólicos y el ácido fítico. Por otra parte, el extracto de
haba con solución de 1M NaCl presenta mayor concentración de compuestos fenólicos
y ácido fítico que los extractos de frijol común, y por lo tanto eficaz actividad de
coagulación.
Los extractos acuosos contienen significativamente más proteínas y azúcares totales
que los componentes de ácido fítico y fenólicos. La presencia de NaCl en agua da
como resultado una mayor cantidad de compuestos extraídos, pero no afectó a la
actividad de coagulación y la extracción puede llevarse a cabo con agua destilada.
Para determinar la capacidad coagulante del extracto acuoso de las semillas, en las
investigaciones han utilizado diferentes dosis de coagulante a un pH de 7, según los
resultados mediante dosis 0,5 mg / L de los componentes activos en la coagulación de
aguas con valores altos de turbidez 90 NTU, presentan reducción de hasta el (48%),
esto teniendo en cuenta que estudios realizados por Rajput et al. (2012) , mostró que la
eliminación de la turbidez del agua también era mejor en turbiedades más altas. Sin
embargo dosis bajas han sido utilizadas, pero con concentraciones de turbidez más
bajas.
Algunos parámetros fisicoquímicos que pueden influir en la eficiencia de la capacidad
coagulante de contaminantes son, dosis de coagulante, turbidez inicial de agua, pH y
temperatura. Por lo tanto, la actividad de coagulación se investigó a diferentes valores
52
de pH entre 3-10, sin embargo el cambio de pH del agua no genera un efecto
significativo sobre la actividad de coagulación. En cuanto al efecto de la dosis del
coagulante y la concentración de turbidez del agua, los autores Kuki´c et al. (2015)
sugieren que a medida que aumenta la turbidez en el agua se requieren de dosis altas
de coagulante.
El uso de coagulantes Vicia Faba, puede ser eficaz tanto en la eliminación de turbidez,
coliformes y metales pesados, aunque la actividad coagulante no tiene alta eficiencia
en relación con otros coagulantes orgánicos, como la moringa. Sin embargo, son
escasos los coagulantes orgánicos, que sean utilizados en la reducción de metales
pesados, lo que convierte al extracto del haba, como una planta a seguir en estudios
experimentales, además viable económicamente, ya que se puede cultivar localmente
(Rajput et al, 2012).
8.1.11. Ácido láctico y Lactato de Calcio
El ácido láctico (ácido 2-hydroxypropanoico), también conocido como acido de leche,
es un compuesto que juega un papel importante en varios procesos bioquímicos. El
ácido láctico, Lactato de sodio y el lactato de calcio son compuestos ecológicos, no
tóxicos y biodegradables que se pueden obtener biotecnológicamente a partir de
residuos agrícolas mediante la fermentación de estos sustratos con bacterias de ácido
láctico (Bustos et al., 2007; Moldes et al., 2007). El lactato de sodio (2-hidroxipropionato
de sodio), utilizado para aumentar la vida útil de los alimentos, ya que presenta
características antimicrobianas. Existe literatura reciente sobre la capacidad coagulante
y floculante del ácido láctico, lactato de calcio y lactato de sodio en la eliminación de la
turbidez del agua.
El lactato de calcio (2-hidroxipropanoato de calcio) es un coagulante totalmente
inofensivo, ya que se utiliza comúnmente como un aditivo alimentario (como la levadura
en polvo) como también es usado en medicina.
53
Para determinar la eficacia de los coagulantes (ácido láctico, lactato de sodio, lactato
de calcio y ácido cítrico) se han probado en la eliminación de sólidos suspendidos del
agua. En algunos estudios, los sedimentos utilizados fueron extraídos de ríos
mezclados en aguas del grifo, presentando una turbidez de 265 NTU.
De acuerdo a los resultados por varios autores, con el ácido láctico dio valores de
turbidez de 2,38 NTU, mientras que el lactato de sodio y lactato de calcio se obtuvieron
valores de turbidez de 35,1 y 15,65 NTU, respectivamente, esto debido a la alta
concentración de sodio en el agua tratada con lactato de sodio, puede llegar a ser
Fitotóxico y ecotóxico. Por otro lado el ácido cítrico no dio resultados favorables,
presentando mayor turbidez después del proceso de coagulación. Por lo tanto, el ácido
láctico es el viable para ser utilizado como coagulante en comparación con los demás.
Los mecanismos de coagulación y floculación implicados en la eliminación de sólidos
suspendidos utilizando ácido láctico son generalmente neutralización de carga, que
desestabilizan las cargas eléctricas de los coloides, lo que permite que las partículas se
aproximen entre si y formen grandes agregados, que pueden ser fácilmente eliminados
por sedimentación y filtración.
8.1.12. Escamas de pescado
Las escamas de pescado como residuos generados son una fuente abundante de
material. Por lo cual lo convierte en un óptimo objeto de estudio. En la literatura se
encuentran reportes sobre el uso de Las escamas de pescado como coagulantes para
el tratamiento de aguas residuales (Hood y Zall, 1980). Según investigaciones, los
componentes activos de las escamas del pescado que intervienen en la actividad
coagulante son proteínas, las cuales se han utilizado para la remoción de color de
aguas residuales, como también para eliminar iones metálicos.
La extracción de los agentes activos de las escamas, mediante el previo lavado con
agua destilada y secado a una temperatura de 800 °C. A continuación, las escamas
54
son tratadas con 5% de HCl a 40 °C durante con el fin de producir material orgánico
rico y para hacer frágiles las escamas de peces. Después la solución se separa por
filtración y las escamas se tratan con agua destilada hasta que el pH de los lavados se
convierte en neutral, para finalmente proceder a pulverizarlas (Musa et al., 2015).
La actividad coagulante y floculante de las proteínas en la eliminación de color y
metales pesados de aguas residuales se lleva a cabo con el test de jarras. Las dosis de
coagulantes utilizadas varían de 1 a 5 g con un pH entre 5 y 8, con el fin de identificar
la eficacia del coagulante. Inicialmente la demanda química de oxigeno DQO presente
en las aguas residuales fue de 4700 ppm y la concentración de color fue de 2,120 m-1.
Por otra parte, varios iones de metales pesados se midieron para identificar el
rendimiento del coagulante, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg y Pb con concentraciones de 0,31, 2,23,
6,78, 2,26, 3,33 y 16,13 ppm respectivamente (Musa et al 2015).
A partir del proceso de coagulación y floculación con dosis de 5,0 g / ml de coagulante,
se obtiene la eliminación de DQO, con la concentración residual de 130 ppm. Sin
embargo a pH de 8, la concentración residual fue de 4650 ppm en comparación con
otros. Por lo cual, algunos factores como el pH y dosis de coagulante son dependientes
para obtener eficaz coagulación. Por lo que se han realizado estudios sobre el efecto
de estas variables.
De acuerdo a los resultados de investigaciones, a partir de dosis de 5,0 g/ml con un pH
de 5,0, se ha obtenido concentración de 0,01 ppm del ion cadmio, mientras que el ion
cromo residual presenta una concentración de 0,39 ppm. Por lo tanto, a dosis bajas del
coagulante de las escamas de pescado y con un pH de 5,0 remueve eficientemente el
color de aguas industriales hasta un 90% y reduce un 98% de la demanda química de
oxigeno (DQO). Además con dosis igualmente bajas de coagulante se obtienen un
óptimo porcentaje de eliminación de metales pesados como el cobre (Cu) y plomo (Pb).
La eliminación de los contaminantes de las aguas de la industria textil mediante el uso
de las proteínas de las escamas del peces, depende del mecanismo de coagulación
por neutralización de carga, durante el cual los coagulantes neutralizan las cargas
eléctricas de las partículas coloidales en el agua, lo que permite que partículas de
55
coagulantes y partículas contaminantes se aproximen entre sí, permitiendo las
formación de grandes flóculos (Musa et al., 2015).
8.2. COAGULANTES Y FLOCULANTES MODIFICADOS
8.2.1. Acacia mearnsii
Acacia mearnsii, comúnmente conocido como (zarzo negro) es una planta leguminosa
originaria de Australia (fig. 20). Caracterizada como una de las especies más invasivas
y toxicas del mundo. Se ha expandido por diferentes partes del mundo como fuente de
taninos, utilizada tradicionalmente para el proceso del curtido del cuero. Diversos
estudios científicos han utilizado la síntesis de agentes coagulantes a base de taninos
modificados por medio del fenómeno de cationización, que sigue la reacción de
Mannich usando como base orgánica los taninos de esta planta (Beltrán et al., 2011).
Tanfloc es un producto comercial suministrado por TANAC, SA (Brasil). Es un producto
derivado de taninos extraídos de la corteza de Acacia. El agente coagulante Tanfloc
utilizado en forma de polvo, presenta estructuras de flavonoides con un peso molecular
de 1,7 kDa, por lo que ha sido utilizado para el tratamiento de aguas residuales
provenientes de la industria textil y de lavandería, como también el estudio con
muestras de aguas provenientes de ríos y plantas de tratamiento de municipios
(Sánchez et al., 2010). El proceso de producción de Tanfloc está protegido por el
número de patente 6.478.986 B1 de Estados Unidos pero los procedimientos similares
se conocen como reacciones a base de Mannich (Tramontini y Angiolini, 1994).
56
Figura 20. (a) Semillas, (b) flores y (c) árbol de Acacia mearnsii (Beltrán et al., 2011).
El proceso de cationización, consiste en someter los taninos derivados de la Acacia a
un amino-metilación (reacción de mannich). Mediante la reacción de formaldehido,
cloruro de amonio y ácido clorhídrico (Roux et al., 1975). El producto de la reacción de
Mannich es una imina, la cual posteriormente se hace reaccionar con el extracto
acuoso de Acacia, obteniendo un polímero tánico que presenta un alto peso molecular
(Tanfloc). Teniendo en cuenta dicha cationización confiere carácter catiónico al tanino
agente coagulante del extracto acuoso de Acacia mearnsii, factores como la
solubilidad, pH, se mantienen constantes. Por tanto este tipo de agentes coagulantes
con carga positiva pueden desestabilizar y posteriormente eliminar las partículas
coloidales aniónicas de las aguas residuales (Beltrán et al., 2011).
En diferentes estudios experimentales, han utilizado Tanfloc como agente coagulante
para el tratamiento de aguas contaminadas con colorantes como Violeta de alizarina,
tintes antraquinónicos y tensioactivos como el dodecilbenceno sulfonato de sodio, que
generan una alta demanda química y biológica de oxígeno (Zollinger, 1987). Teniendo
en cuenta estas características hacen que los efluentes industriales que contienen este
colorante sean altamente tóxicos (Cabaço et al., 2008). En la literatura se encuentran
diversos estudios sobre la coagulación de muestras de aguas residuales contaminadas
con tensioactivo dodecilbenceno sulfonato de sodio, debido a que genera una elevada
demanda química de oxigeno DQO (Patterson et al., 2006).
57
Otros estudios probaron la eficacia de coagulantes catiónicos a base de taninos
modificados derivados de Acacia mearnsii, como son Ecotan y Tanfloc en la
coagulación y floculación de microalgas cultivadas para el tratamiento de aguas
residuales, lo cual trae muchas ventajas, debido a que el tratamiento de aguas
residuales con el cultivo de microalgas puede producir biomasa que puede ser
valorizado para producir bioenergía o moléculas de interés.
Gutiérrez et al. (2015), los autores utilizaron la biomasa de microalgas verdes
(Monoraphidium Scenedesmus y Stigeoclorium y diatomeas nitzchia, Navivcula y
Amphora) cultivadas en una planta experimental que ha estado en funcionamiento
continuo durante más de 1 año. De acuerdo a los resultados, a partir de varios ensayos
de jarras, las dosis de floculante óptimas fueron 10 mg / L de Ecotan y 50 mg / L de
Tanfloc, utilizados para tratar la turbidez inicial de biomasa de microalgas vario de 277
a 573 NTU (Beltrán et al., 2011). Los porcentajes de recuperación de la biomasa fueron
desde 91,8 hasta 99,4% y 51,6 a 93,3% con Ecotan y Tanfloc, respectivamente.
Algunos de los efectos que pueden alterar la actividad coagulante es el pH, sin
embargo Ecotan y Tanfloc por ser derivados de especies naturales, no altera
significativamente el pH de medio, ambos son eficaces en un intervalo de pH de 4,5 a
8. Por lo tanto, ambos floculantes son adecuados para aplicaciones de tratamiento de
aguas residuales, y sus resultados sugieren reemplazar productos basados en metales
con cloruros de aluminio y de hierro.
En otros trabajos experimentales Barrado et al. (2015), han utilizado el agente
coagulante a base de tanino Acquapol C1, extraído a partir de la modificación química
de los taninos de Acacia para la eliminación de algas Oocystis encontradas en
abundancia en los embalses de aguas dulces, las cuales son toxicas y perjudiciales
para la salud de los seres vivos (Dupas et al., 2015). Por lo tanto, los estudios se han
llevado a cabo con muestras de agua superficiales del rio, contaminadas artificialmente
con Oocystis a diferentes concentraciones. Algunos parámetros físicos y químicos a
tener en cuenta para el correcto funcionamiento del coagulante son, la dosis de
Acquapol C1 y la concentración inicial de algas y el pH. A partir de una serie de
experimentos de los autores, se ha encontrado que la eficiencia de la eliminación
58
tiende a aumentar a medida que aumenta la dosis de Acquapol C1. Por otro lado, el pH
no altera el proceso de coagulación en algas Oocystis, esto debido a que los
componentes coagulantes son derivados de la corteza de Acacia mearnsii (Barrado et
al., 2015). Además de esto, en algunos estudios han llevado a cabo ensayos a escala
piloto, con el fin de evaluar la eficacia de cada proceso. Según los resultados para una
turbidez de 130 NTU se han alcanzado porcentajes de remoción del 90% después de la
salida del decantador y se convirtió casi en cero en la salida por el filtro de arena, lo
cual afirma que el filtro de arena influye en la eliminación de turbidez, debido a que
posiblemente retiene los flóculos formados. Mientras que porcentajes del 90% se han
obtenido de biomasa de algas mediante la coagulación, sin embargo al aplicar la etapa
de filtración, esta aumenta la obtención de biomasa de algas alrededor del 100%. Por
lo tanto, los autores concluyen que no es significativo el uso de instalaciones de planta
piloto debido a que tienen una eficiencia similar a los estudios de test de jarra para la
eliminación de algas (Barrado et al 2015). En cuanto a los mecanismos de coagulación
y floculación, se han encontrado reportes acerca de Acquapol C1- que actúa mediante
neutralización de cargas y formación de puentes entre partículas (Sharma et al., 2006).
Entre otros agentes coagulantes derivados de Acacia mearnsii, se encuentra Acquapol
S5T, utilizado en diferentes estudios para eliminación de colorantes antraquinónicos
(Violeta de Alizarina), elegido debido a su alta toxicidad, caracterizado por una alta
demanda química y biológica (Zollinger 1987). Además, ha sido reportado como un
colorante difícil de remover de los efluentes industriales, debido a que en su estructura
química (fig. 21) presenta cinco anillos aromáticos y los dos grupos sulfonados lo que
hace altamente persistente este compuesto.
Para probar la capacidad optima del coagulante Acquapol S5T, se mezclaron diferentes
dosis del agente coagulante en muestras de agua residuales simuladas con colorante
violeta de alizarina. Según los resultados con dosis relativamente bajas se puede
remover hasta el 50% de la concentración de colorante (Beltrán et al 2011).
Los principales parámetros que influyen en la actividad coagulante con este tanino
modificado son: pH y concentración inicial del colorante. Valores de pH entre 5 y 10 se
59
han probado disminuye la eficacia en la coagulación de los contaminantes, debido a la
forma catiónica del coagulante, que debe ser superior a pH acido e inferior a pH básico.
Por lo tanto, la interacción electrostática se refuerza entre las cadenas catiónicas del
coagulante y los centros activos cargados negativamente en el tinte y las moléculas del
surfactante.
Figura 21. Estructura química de Violeta Alizarina (Beltrán et al 2011).
Estudios de algunos autores (Gu y Zhu, 1990) y (Gu y Zhu, 1992) proponen el
mecanismo de adsorción para el proceso de coagulación y floculación, mediante dos
etapas: (1) la adsorción de iones y moléculas del tensioactivo y (2) finalmente conduce
al aumento de adsorción, formándose agregados en la superficie, mediante la
interacción de las cadenas hidrofóbicas de las moléculas de tensioactivos.
Para determinar la actividad coagulante del tanino Tanfloc derivado de Acacia mearnsii
en la eliminación de colorantes, se han utilizado muestras de agua con diferentes
colorantes azoicos (azul, negro y rojo); (carmín de índigo), trifenilmetano (cianina de
Eriocromo) y antraquinónicos (Violeta de alizarina), cada uno con una concentración de
100 mg/L y una dosis de 100 mg/L de coagulante modificado. De acuerdo a los
reportes encontrados, los colorantes antraquinónicos como el violeta de alizarina
presenta una alta afinidad, con taninos modificados como son Silvafloc (derivado de
Schinopsis balansae), Acquapol C-1 y Tanfloc (derivados de Acacia mearnsii) (Beltrán
et al., 2011).
Tanfloc, coagulante a base de tanino modificado, ha sido utilizado para eliminar
tensioactivos presentes en aguas residuales de lavandería. Según la literatura científica
60
se determinó la capacidad coagulante con dosis de 100 mg / L de taninos derivados de
Acacia mearnsii (Tanfloc, Acquapol C-1 y Acquapol SST) y Schinopsis balansae
(Silvafloc) en la eliminación del tensioactivo dodecilbenceno sulfonato de sodio (DBSS)
a una concentración de 50 mg/L de tensioactivo. Encontrando como resultados que el
coagulante más eficiente en la eliminación de tensioactivo son los taninos derivados de
Acacia mearnsii. Esto debido a la estructura molecular larga del tensioactivo DBSS
(Beltrán et al., 2010).
En cuanto a las aguas residuales municipales, se han elegido por presentar altos
valores de turbidez, DQO y DBO5, como también concentraciones significativas de
tensioactivos (Mungray y Kumar, 2008). De acuerdo a los resultados, el porcentaje de
eliminación de materia orgánica (DQO y DBO5) fue del 40% y 60%,
respectivamente. Por otro lado la eliminación de turbidez inicial de 50 NTU presentada
en muestras de agua del rio fue del 60%. Las dosis más altas de coagulante podrían
producir una mayor eliminación de la turbidez. Por lo tanto Tanfloc y otros derivados de
tanino como Silvafloc son agentes que presentan actividad coagulante para el
tratamiento de las aguas superficiales y las aguas residuales industriales (Sánchez et
al., 2010). Algunos parámetros fisicoquímicos como la temperatura y la cantidad de
amina son necesarios a tener en cuenta. Las temperaturas óptimas eran alrededor de
30 °C en ambos casos. Sin embargo la cantidad de amina influyo significativamente
más que la temperatura para obtener una eficaz coagulación y floculación en el
tratamiento de aguas residuales (Beltrán et al., 2010).
8.2.2. Schinopsis balansae
Schinopsis balansae (Quebracho colorado), es un árbol nativo de América del Sur. La
corteza de Schinopsis (fig. 22) se considera como la primera fuente de taninos, seguido
de Acacia, ambos constituyen la principal fuente de taninos para la industria del cuero.
En los reportes de la literatura científica se encuentra que el extracto de taninos de la
61
corteza de Quebracho, están compuestos principalmente de combinaciones de
resorcinol, catecol y bloques de construcción pirogalol (Pascua et al., 2001). Teniendo
en cuenta que presenta una estructura molecular con alto peso molecular, por lo cual
coadyuva a una óptima capacidad coagulante (Pizzi 1994). En la búsqueda de otras
alternativas, diferentes al uso de coagulantes convencionales (sulfato de aluminio),
diferentes autores han encontrado que se puede obtener un agente coagulante y
floculante (Silvafloc) a partir de una modificación química del extracto de tanino de
Schinopsis, el cual ha demostrado tener capacidad coagulante en la eliminación de
tensoactivos principalmente (Beltrán et al., 2009).
Figura 22. (a) Corteza, (b) hojas y (c) árbol de Schinopsis balansae (Quebracho
colorado) (Sánchez et al., 2010).
En diferentes trabajos científicos se reportan, estudios de coagulantes y floculantes
naturales modificados para el tratamiento de aguas residuales. La modificación química
de los taninos presentes en la corteza de Schinopsis balansae, se lleva a cabo por
medio de la reacción de mannich, para obtener como producto una agente coagulante
Silvafloc utilizado generalmente en el tratamiento de aguas superficiales de ríos
(Tramontini y Angiolini 1994). Los taninos se someten a una aminometilación de
Mannich por reacción con cierta cantidad de formaldehido y amina (NH4 Cl) (Roux et
62
al., 1975), como se reporta en la ecuación (1) (Beltrán et al., 2011). Por medio de esta
reacción un amonio cuaternario se introduce en la estructura general del tanino con el
fin de dar carácter catiónico al tanino floculante (Pulkkinen y Mikonnen 1992).
Tanino–H + CH2O + NH4Cl → Tanino–CH2NH+3 Cl− + H2O (Ecuación 1)
Sin embargo los autores sugieren analizar varios compuestos nitrogenados que puedan
introducir carácter catiónico a la estructura del tanino, debido a que estos influyen en la
síntesis del tanino por lo tanto en la capacidad coagulante para la descontaminación
del agua. Con los resultados obtenidos el compuesto dietanolamina produce agentes
coagulantes óptimos, en comparación con cloruro de amonio (NH4Cl) y cloruro de
glicidiltrimetilamonio (Beltrán et al., 2010).
Para determinar la actividad coagulante de Silvafloc, se han estudiado otros agentes
coagulantes naturales (Tanfloc y Moringa oleífera) y un coagulante inorgánico (sulfato
de aluminio) en la eliminación de la turbidez de aguas superficiales, como también para
la remoción de colorantes y tensioactivos presentes en aguas residuales. Según los
análisis de los resultados, los coagulantes naturales presentan una óptima capacidad
coagulante en comparación con el sulfato de aluminio. Respecto a los coagulantes
modificados por cationización (Tanfloc y Silvafloc), se ha encontrado que el coagulante
Tanfloc es más eficaz que el tanino derivado de Schinopsis (Silvafloc), esto se debe al
alto porcentaje de taninos en Acacia mearnsii (Sánchez et al., 2009). Sin
embargo, Schinopsis es todavía una materia prima importante para la producción de
tanino, ya que se utiliza bastante en la industria del cuero (Pizzi, 1994).
Una vez más los estudios sugieren a los agentes coagulantes de la Moringa oleífera,
como el más eficaz y viable para la remoción de turbidez presentes en aguas
residuales. Como también se identifica, que sulfato de aluminio no genera una óptima
capacidad coagulante, esto puede ser debido a que en estudios realizados, el alumbre
solo actúa en el proceso de coagulación, mientras que los coagulantes naturales
(Moringa, Tanfloc y Silvafloc) intervienen en el proceso de coagulación,
63
desestabilizando las partículas coloidales del agua residual (Graham et al., 2008) y
posteriormente continúan con la formación de flóculos a través del fenómeno
floculación (Okuda et al., 2001) y (Roussy et al., 2005).
La eficacia de la actividad de coagulación y floculación en la eliminación de turbidez,
colorantes y tensioactivos presentes en aguas residuales y superficiales de ríos, se
lleva a cabo mediante el mecanismo de coagulación de adsorción. En este mecanismo,
inicialmente se produce la desestabilización de las partículas coloidales, por medio de
las interacciones químicas dipolo-dipolo entre las moléculas del coagulante (catiónico,
con carga positiva) y del contaminante (aniónicos, con carga negativa). Una vez
formado el complejo contaminante-coagulante, finalmente los flóculos comienzan a
crecer por mecanismo de adsorción (Beltrán et al., 2011).
Algunos parámetros para optimizar el proceso de coagulación y floculación con los
agentes coagulantes naturales modificados, son las dosis de los coagulantes y pH del
agua residual. Los autores reportan dosis bajas de coagulante para la eliminación de
turbidez. Además el porcentaje de eliminación de contaminantes es mayor, cuando
aumenta la dosis del coagulante Silvafloc. Sin embargo, se ha encontrado que a dosis
por encima de la dosis optima, no se evidencia mayor porcentaje de eliminación de
tensoactivos. Por otra parte el pH del agua no es alterado significativamente por el
coagulante Silvafloc, esto debido al origen natural de este coagulante (Sánchez et al.,
2010).
Además el coagulante derivado de tanino, Silvafloc es utilizado también como
desinfectante (Sadiq y Rodriguez 2004), en la eliminación de microorganismos como
los estreptococos fecales y coliformes fecales. El porcentaje de eliminación se aumenta
a medida que la dosis de Silvafloc aumenta, como también por medio del proceso de
eliminación de la turbidez, los microorganismos se someten a una pérdida de su
estructura de soporte natural, por lo que se logra alta de eliminación. Por otra parte,
después del proceso de coagulación y floculación, el contenido de materia orgánica no
se incrementó, y se obtiene la eliminación de un 30% de materia orgánica. En
64
comparación con otros coagulantes naturales o inorgánicos, Silvafloc es más eficiente
que el sulfato de aluminio (Sharp et al., 2006).
8.2.2.1. Otros agentes coagulantes a base de taninos (TBP)
El TBP es un polímero catiónico de alto peso molecular aproximadamente de 600,000
g/ mol (fig. 23), que recientemente ha entrado en el mercado para ser utilizado como
alternativo de los agentes coagulantes químicos de tratamiento de agua. La
modificación química de TBP se ha llevado a cabo mediante una polimerización de
tanino que es obtenido del extracto orgánico a partir de la corteza del árbol y la madera,
con formaldehido y una monoetanolamina, este polielectrólito modificado ha sido
utilizado como producto comercial coagulante eficaz en el tratamiento de aguas
superficiales en la eliminación de turbidez y color (Quamme y Kemp, 1985). En la
literatura se encuentran diferentes investigaciones del uso de tanino aniónico
condensado como un coadyuvante de la coagulación (Özacar y Sengil, 2003) y como
polielectrólito catiónico modificado para el tratamiento de aguas residuales (Graham et
al., 2008).
65
Figura 23. Estructura molecular del polímero TBP (Graham et al., 2008).
Algunos autores Graham et al. (2008) investigaron un polímero catiónico comercial a
base de taninos (TBP), a partir de pruebas de jarra han evaluado la capacidad
coagulante en muestras de aguas que contienen suspensión de caolín. Según las
investigaciones indican como agente coagulante a una amina terciaria como la fuente
de la carga catiónica y un carácter anfótero como consecuencia de grupos
fenólicos. La actividad de coagulación de TBP se lleva a cabo a un pH 9 y una dosis
14 mg/L de TBP, generando un proceso de coagulación eficaz y por tanto una rápida
formación de flóculos. Por lo tanto, a un pH de 9, estudios sugieren que la magnitud de
la densidad de carga de TBP es muy pequeño y la coagulación de caolín se lleva a
cabo principalmente por adsorción y por coagulación de barrido, para lo cual se
requieren tanto dosis de polímero como un pH de solución mayor, como consecuencia
se genera la formación de grandes flóculos, generando así una óptima eliminación de
turbidez. Sin embargo a un pH de 6 y a dosis bajas, el mecanismo consiste en la
neutralización de cargas, a través de la interacción entre las partículas del polímero
catiónico y las partículas de caolín anionicas, logrando la desestabilización de las
partículas de caolín.
66
8.2.3. Betula verrucosa
Betula verrucosa conocido comúnmente como (Abedul blanqueado), es una especie
originaria de Asia, que se ha extendió en diferentes países como Europa y Canadá (fig.
24). Tradicionalmente utilizada para el proceso del curtido del cuero. En algunos
estudios han utilizado esta especie como materia prima para extraer celulosa de hojas
secas de Betula para el tratamiento de aguas residuales, el contenido de celulosa
extraída de las hojas de Abedul es de 74,8 % de (Zuluaga et al. 2009). Esto debido a
que la celulosa es el compuesto orgánico más abundante que se presenta de forma
natural, que consiste de un 40% a 60% en peso de madera seca, mientras que
el algodón y el lino contienen más del 90 % de celulosa (Kamide 2005). Por lo tanto la
Celulosa ofrece una fuente ambientalmente viable para la producción de productos
químicos verdes. En la literatura científica aparece como un coagulante y floculante
viable en el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo la extracción de
polielectrolitos solubles en agua de la celulosa, forman una red de enlaces de
hidrógeno intermolecular e intermolecular, obteniendo la estructura de la celulosa
altamente cristalina, lo que dificulta la reactividad y solubilidad de celulosa. Por lo que
según investigaciones, es necesario realizar modificaciones químicas a la celulosa
(Liimatainen et al., 2011).
67
Figura 24. Hojas de Betula verrucosa utilizadas para la extracción de celulosa
(Liimatainen et al., 2011).
La modificación química mediante la oxidación con peryodato de los polisacáridos
derivados de la celulosa extraída de Abedul, consiste en la oxidación de los grupos
hidroxilo vecinales de la celulosa en las posiciones 2 y 3 para grupos aldehído con el fin
de producir celulosa dialdehído (DAC). Posteriormente el reactivo T de Girard
reacciona con los grupos funcionales de aldehído, que forman una imina para producir
grupos de amonio cuaternario que contienen DAC soluble en agua (CDAC) (Sirviö et
al., 2011).
La capacidad floculante de la celulosa modificada (CDAC) fue determinada mediante la
remoción de aguas residuales contaminadas con una suspensión de caolín, utilizando
el test de jarras, que consisten en experimentos por lotes a una mezcla rápida, lenta y
posterior sedimentación. Según los resultados de las investigaciones, a dosis bajas de
4,5 mg/g y un pH neutro o acido, se obtiene una eficaz actividad floculante (Liimatainen
et al., 2011).
El mecanismo de floculación principalmente es el de neutralización de la carga, ya que
el agente floculante catiónico CDAC es capaz de adsorber y neutralizar las cargas
anionicas del caolín, dando como resultado la floculación eficiente de las suspensiones
(Liimatainen et al., 2009).
68
Factores que pueden afectar la actividad floculantes, son generalmente la dosis del
floculante y el pH de la solución. Una sobredosis de biopolímero catiónico resultó
rápidamente en inversión de carga y de la reestabilización de partículas de caolín, que
llevaba una carga aniónica neta en su forma nativa. Por otra parte el pH puede alterar
la estabilidad de polielectrolitos, la carga y por tanto la conformación de floculantes se
ven afectados por ella. Por tanto una óptima eficacia se obtiene en condiciones acidas,
esto debido a que según los autores Calvini et al, (2004), sugieren que las cadenas de
celulosa dialdehído se degradan en condiciones alcalinas, siendo responsable de la
descomposición del polímero DAC en condiciones alcalinas, y por lo tanto afecta la
afinidad de CDAC hacia los polielectrolitos aniónicos.
En otros trabajos experimentales han utilizado, la celulosa que es extraída a partir de
los desechos de la biomasa de la palma de aceite (cascaras de frutas), debido a que
son disponibles en abundancia, para el tratamiento del agua. La modificación de la
celulosa se lleva a cabo por medio de una cuaternización cloruro de amonio 3-cloro-2-
hidroxipropiltrimetil (CHPTAC) en solución NaOH, para obtener como agente
coagulante 9QC. La reacción con CHPTAC confiere cargas positivas sobre la cadena
principal de la celulosa, como también aumenta la hidrofilicidad de 9QC.
El polímero modificado de Celulosa soluble en agua denominado hidroxietilcelulosa
etoxilato cuaternizada, permitirá reducir la turbidez como también metales pesados
presentes en aguas superficiales y residuales (Mothar et al 2016). El polímero
hidroxietilcelulosa etoxilato cuaternizado es de origen semisintético porque proviene de
la celulosa que ha sido modificada, quedando con grupos funcionales amonios
cuaternarios (fig. 25).
69
Figura 25. Estructura química del polímero hidroxietilcelulosa etoxilato cuaternizada
(Mothar et al 2016).
Para determinar la capacidad coagulante y floculante en la eliminación de sólidos
suspendidos de aguas superficiales provenientes de ríos, han realizado el test de
jarras, que consisten en experimentos por lotes a una mezcla rápida, lenta y posterior
sedimentación. Varios parámetros de calidad del agua se han estudiado como la
demanda química de Oxigeno (DQO), la demanda bioquímica de oxígeno (DBO)5,
solidos suspendidos totales, índice del volumen de lodos, color, turbidez y metales
pesados contenidos en muestras de aguas, se han analizado antes y después de los
procesos de coagulación y floculación. Según los resultados de trabajos, a bajas dosis
de coagulante de 60 mg/L y a un pH de 6, se obtiene un óptimo porcentaje de
eliminación de turbidez (99%). El valor de la dosis del coagulante varía de acuerdo a
las concentraciones de caolín, por lo que a altas concentraciones de caolín se
requieren un incremento en la dosis de coagulante. Además a dosis entre 40 y 90 mg/l
de coagulante y un pH de 6 el valor del índice del volumen de lodos disminuye por lo
cual la 9QC presenta una eficaz actividad de coagulación.
Teniendo en cuenta que el compuesto coagulante 9QC es catiónico, generalmente el
mecanismo de coagulación y floculación es una neutralización de carga, ya que a
través de las diferentes cargas (catiónicos de agente coagulante) y (aniónico de las
70
partículas coloidales), permiten una atracción electrostática entre las partículas, que
posteriormente se forman aglomerados.
Para una óptima capacidad coagulante, factores como la dosis de coagulante, pH,
concentración de sólidos suspendidos, son importantes de evaluar. A una dosis baja de
coagulante, resulta en una carga catiónica ineficaz para llevar a cabo el proceso de
neutralización, produciendo una aglomeración insuficiente de las partículas, sin
embargo, es necesario no sobrepasar los valores límites de dosis de coagulante,
debido a que a un exceso de coagulantes y floculantes se producirá ruptura de flóculos
(Nourani et al., 2016). Como también a medida que el pH y la dosis de 9QC aumentan
por encima del valor optimo, el volumen de lodos aumenta.
En otras investigaciones, se basaron en la eliminación de metales pesados como el
mercurio (Hg), cadmio (Cd), cromo (Cr) y plomo (Pb), siendo metales altamente tóxicos
encontrados aguas superficiales de ríos (Sanz 1998; Xiong y Yao 2009). El coagulante
extraído de la celulosa 9QC fue probado en la eliminación de los metales pesados,
principalmente del mercurio (Hg) y el hierro (Fe), que son los metales que se han
encontrado sobrepasando el límite de la norma de calidad del agua. La 9QC tiene una
alta selectividad hacia iones de metales pesados, debido a que es extraído de la
celulosa que presenta grupos funcionales activos, por lo cual es un eficaz coagulante
en la eliminación de metales pesados como el mercurio y el hierro.
8.2.4. Quitosano
El quitosano es un biopolímero natural de alto peso molecular natural, producido
principalmente por desacetilación alcalina de la quitina (β-1,4-ligado N-
acetilglucosamina) este biopolímero se puede obtener de varias fuentes naturales,
principalmente se puede encontrar la quitina en (crustáceos, hongos, insectos,
anélidos, moluscos, Celenterados etc.) (M. Khayet et al., 2011). Varios estudios sobre
el quitosano y sus derivados se han utilizado ampliamente en los campos de la
71
medicina, la alimentación, tratamiento de aguas residuales (Jiang et al.,
2010). Algunas características que hacen del quitosano una fuente optima de estudio
es su biodegradabilidad, alta densidad de carga catiónica, cadenas largas de
polímeros, biocompatibilidad, y además presenta propiedades como bacteriostático y
fungistático (Shi et al., 2012), por lo cual estos biopolímeros se puede utilizar para
sustituir los coagulantes convencionales como las sales de aluminio y polímeros
químicos teniendo en cuenta que se evitaría problemas de contaminación al medio
ambiente y a la salud humana causados por los residuos de polímeros de aluminio y
químicos en el agua (Chi y Cheng 2006). Además, debido a su naturaleza
policatiónico, el quitosano se puede utilizar como agente floculante y quelante para
secuestrar metales pesados.
Los componentes activos de coagulación del quitosano son polisacáridos, formados
por N-acetilglucosamima y unidades de glucosamina con enlaces de ß-1-4-
glucosídico, por lo tanto, el quitosano es un polielectrólito catiónico debido a la
presencia de grupos amino primarios, que es adecuado para la eliminación de los
colorantes aniónicos desde la perspectiva de la atracción de cargas (Guibal y Roussy
2007). Sin embargo, las aguas residuales textiles normalmente también pueden
contener colorantes catiónicos además de los iónicos. Teniendo en cuenta que el
quitosano con sólo grupos catiónicos es generalmente incapaz de remover colorantes
con varios tipos de carga. Como consecuencia, es necesario el estudio experimental
con floculantes anfóteros que contienen iones catiónicos y aniónicos, utilizados para
eliminar colorantes tanto aniónicos como catiónicos (Yang et al., 2011).
En la literatura científica se encuentra principalmente el proceso de cuaternización
como modificación química del quitosano, denominada 2-hidroxipropiltriimetil cloruro
de amonio (HACC), utilizado como agente coagulante y floculante para el tratamiento
de aguas residuales contaminadas con proteínas como sericina (desgomado de
seda). Por tanto, el quitosano es sometido al proceso de cuaternización para mejorar
su solubilidad en el agua como también para introducir en sus estructura química
cargas positivas, logrando así una eficaz coagulación. A partir del quitosano con un
90% de grado de desacetilación, 1g de quitosano se disolvió en ácido acético,
72
posteriormente se agrega una solución cloruro de 2,3-epoxipropiltrimetil amonio (ETA)
en isopropanol (fig. 26). Según los resultados reportados por estudios
experimentales, a dosis bajas de 1,0 g/L del agente coagulante HACC y a un pH de 8,
se obtiene capacidad coagulante eficiente en la eliminación de turbidez y de la
proteína sericina, con porcentajes de 98% y 76%, respectivamente (Yang et al., 2012).
Figura 26. Reacción de HACC preparada por el quitosano y ETA (Yang et al., 2012).
En otros trabajos experimentales, han utilizado floculantes anfóteros a base de
quitosano (cloruro de amonio 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetil) CTA, modificado con
carboximetil (CMC-CTA) para la eliminación de soluciones acuosas con colorantes
catiónicos (Amarillo brillante básico 7GL) y colorantes aniónicos (naranja de metilo),
debido a que el quitosano tiene solo grupos catiónicos por lo tanto solo muestra
eficacia en la eliminación del colorante naranja de metilo. Sin embargo, el floculante
carboxialquilo CMC presenta bajo peso molecular, por lo cual no se evidencia una
óptima eficacia en remover colorantes de 7GL. Lo que significa que el polielectrólito
catiónico es incapaz de flocular colorantes catiónicos, por lo tanto se han realizado
investigaciones sobre floculantes anfóteros, los cuales contienen iones catiónicos y
aniónicos. Algunos autores han llevado a cabo una polimerización por injerto de
poliacrilamida (PAM), esto debido a que el PAM de alto peso molecular puede producir
flóculos densos, que facilitan la sedimentación en el tratamiento del agua. Sin embargo,
la investigación en la eliminación de ambos colorantes aniónicos y catiónicos utilizando
injerto floculantes anfóteros basados en quitosano es bastante limitado hasta ahora
73
(Yang et al., 2012). Una serie de floculantes anfóteros de quitosano con injerto CMC- g
-Pam, se reportan en la literatura, siendo el más óptimo preparado con proporciones de
CMC y poliacrilamida (1:1), que se denomina CMC- g -PAM11. De acuerdo a los
reportes por varios autores, mediante los resultados de microscopía electrónica de
barrido (SEM) se encuentran que CMC- g -PAM11 presenta la estructura más porosa
en relación con otras proporciones de poliacrilamida, esto debido a la adecuada
proporción entre CMC y poliacrilamida, por lo que puede mejorar la eficiencia de la
floculación, debido a que más poros se ven favorecidas para la adsorción y la
floculación de contaminantes en el agua.
Los resultados de diferentes investigaciones, revela una óptima eliminación de
colorantes tanto catiónicos como aniónicos a partir de agente floculante CMC-g -
PAM11, teniendo en cuenta algunos parámetros como dosis de 80 mg/l de CMC-g -
PAM11 y a un pH de 4,0 para eliminar colorantes catiónicos (naranja de metilo),
mientras que dosis de 160 mg / L de floculantes a un pH 11.0 muestra eficiencia en la
eliminación para 7GL.
Entre los floculantes anfóteros de quitosano, el floculante modificado carboxialquilo
CMC es eficaz a dosis bajas, aunque después del injerto de cadenas PAM, CMC- g -
PAM produce flóculos mucho más densos con tamaños de partícula más grandes que
CMC, a partir del cual se puede obtener un óptimo porcentaje de eliminación de
contaminantes del agua (Moghaddam et al., 2010).
La eliminación de diferentes contaminantes del agua con la aplicación de quitosano,
se lleva a cabo mediante los mecanismo de coagulación y floculación (fig. 27) que
pueden ser neutralización de carga, adsorción, coagulación por precipitación,
formación de puentes. Inicialmente el mecanismo neutralización de la carga produce
atracciones electrostáticas entre el quitosano (polielectrólito catiónico) con partículas
contaminantes (anionicas), formando complejos de coagulante-contaminantes
insolubles en agua a una velocidad rápida; a continuación, se forman flóculos del tipo
de red de mayor tamaño; debido a que aumentan los sitios activos por la cadena de
poliacrilamida, los flóculos más grandes con estructura a modo de red pueden
74
aprovechar más colorantes residuales de agua a través de efecto de
barrido (Moghaddam et al., 2010).
Figura 27. Mecanismo de floculación del floculante a base de quitosano injerto anfótero
(Yang et al., 2012).
Para determinar la eficiencia de la coagulación se ha evaluado, la dosis de
coagulante y valor de pH de coagulación. A partir de la dosis óptima de agente
coagulante HACC, se han obtenido significativos porcentajes de eliminación de
proteínas. Sin embargo dosis por encima de las establecidas, disminuye el porcentaje
de eliminación, debido a que una sobredosis de agente coagulante, puede conducir a
la inversión de la carga superficial, por lo tanto la reestabilización de partículas
coloidales, ya que no hay sitios activos disponibles para la formación de puentes,
dando como resultado la repulsión estérica. Por otra parte, el pH depende de la
capacidad coagulante del quitosano, debido a que este polímero natural solo es
eficaz en un intervalo de pH limitado, porque las cargas negativas de la proteína
sericina aumentan con el aumento del valor del pH, lo que puede mejorar la atracción
electrostática entre cargas negativas de la proteína y las cargas positivas de HACC .
75
8.2.5. Zea Mayz
Zea mays (maíz natural) es una especie de la familia gramínea originaria los pueblos
indígenas de México. Actualmente, es el cereal con el mayor volumen de producción a
nivel mundial. El componente químico principal del grano del maíz es el almidón, el cual
está presente en un 73 % en el peso del maíz y se utiliza para una amplia gama de
aplicaciones no alimentarias. El almidón es un polímero compuesto por dos
homopolímeros de glucosa: amilopectina altamente ramificada y de amilosa
predominantemente lineales (fig. 28) (Patterson et al 2016).
Figura 28. Grano de maíz como el componente químico principal del almidón
(Patterson et al., 2016).
En la literatura se encuentran estudios sobre el almidón no modificado extraído de
algunas especies vegetales como el maíz para la coagulación y floculación de aguas
con turbidez, como también se ha usado como un coadyuvante para el cloruro férrico, a
partir del cual se han obtenido optima actividad coagulante. Sin embargo el almidón es
un polímero insoluble en agua, de bajo peso molecular por lo cual influye en la
ineficiente capacidad floculante de turbiedad y sólidos suspendidos del agua. Por lo
tanto, floculantes de almidón han sido modificados para mejorar su rendimiento de
floculación (Pal et al., 2005, Krentz et al., 2006, Wang et al., 2013) por varios métodos
de modificación química tales como esterificación, eterificación, y polimerización de
injerto (Wei et al., 2008). Esto debido a que, el rendimiento de la, actividad floculante
depende de las estructuras moleculares del polímero, además de los factores
76
ambientales externos, como pH, temperatura y dosis del floculante (Khayet et al.,
2011 y Li et al., 2013). Además, los coagulantes y floculantes naturales son de alto
costo, mientras que los procesos de modificación química no solo son eficaces sino
que también de menos costo, por lo tanto estas técnicas son favorables para mejorar la
funcionalidad, eficiencia de aplicación, y el rendimiento de costo final de estos
floculantes a base de polímeros naturales.
En algunas investigaciones, los floculantes a base de almidón extraído del maíz natural
son modificados mediante esterificación, copolimerización por injerto y mediante la
combinación de los dos procesos. A partir del proceso de copolimerización por injerto
se obtienen el compuesto floculante catiónico StC- g –PDMC a partir de la adición de
un monómero de injerto DMC (2-metacriloiloxietil trimetil cloruro de amonio). Mientras
que STC-CTA se obtiene por eterificación mediante el agente CTA (cloruro de 3-cloro-
2-hidroxipropilo trimetil amonio), ambos floculantes StC- g –PDMC y STC-CTA son
catiónicos (Li et al., 2013). Por otro parte, el coagulante CMS- g -PDMC se obtiene
mediante la combinación de eterificación y copolimerización de injerto a partir de (2-
metacriloiloxietil trimetil cloruro de amonio) ácido cloro acético como el agente de
eterificación, por lo que la solubilidad en agua de almidón mejora notablemente.
Posteriormente las cadenas PDMC son injertadas en CMS en una solución
homogénea, el resultado de este polímero modificado es un floculante anfótero (Wang
et al., 2013). Para determinar la capacidad de floculación de estos tres tipos de
floculantes a base almidón en la eliminación de ácidos húmicos, han utilizado el test de
jarras, mediante la mezcla de los floculantes en el agua residual sintética a una
velocidad alta de 200 rpm por 2 min, seguido de una agitación lenta a 50 rpm durante
20 min, finalmente se forman los aglomerados.
A partir del proceso de copolimerización por injerto han obtenido el compuesto
floculante StC- g –PDMC, el cual contiene cargas positivas en las cadenas de
ramificación, STC-CTA contiene cargas positivas en la columna vertebral de almidón, y
el floculante anfótero CMS- g -PDMC tiene cargas positivas en las cadenas de
ramificación con cargas negativas en la cadena principal del almidón. Por lo anterior,
cada floculante exhibe diferente comportamiento y eficacia en la eliminación de ácidos
77
húmicos de aguas residuales, por ejemplo estudios sugieren que StC-g-PDMC
presenta una óptima eficiencia que los floculantes CMS- g -PDMC y STC-CTA en todas
las condiciones experimentales, ya que los primeros floculantes tienen cargas positivas
más fuertes. Sin embargo, teniendo en cuenta que el floculante anfótero CMS- g -
PDMC con cargas positivas más débiles, presenta mejor floculación en la eliminación
de ácidos húmicos que STC-CTA.
En otras investigaciones se han utilizado varios floculantes anfóteros a base de
almidón, como es cloruro 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetil amonio (CTA), mediante la
agentes modificadores como el carboximetil denominado (CMS-CTA). Con el fin de
determinar el rendimiento de la floculación de muestras aguas con caolín y hematita
con los floculantes a base de almidón, la suspensión de caolín presenta carga
superficial negativa, mientras que la suspensión de hematita presenta un punto
isoeléctrico de 9,5, por lo cual, los autores sugieren que lleva cargas superficiales
positivas y negativas bajo diferentes condiciones de pH. Por lo tanto la necesidad del
estudio de floculantes anfóteros, teniendo en cuenta que la atracción de cargas importa
en gran medida en la floculación (Yang et al., 2012) y (Wang et al., 2013). Se espera
que los floculantes con cargas opuestas para ejercer un mejor rendimiento de
floculación. Según los reportes de los espectros de FTIR de las muestras CMS-CTA,
dos nuevos picos en el CMS-CTA aparecieron en 1611 y 1482 cm -1, que corresponden
a la COO – y N + (CH 3)3 grupos, respectivamente (Yang, et al., 2011). La detección de
estos grupos funcionales en CMS-CTA demuestra que tanto aniones como cationes se
han injertado sobre la cadena principal del almidón. Por lo tanto, una condición de
síntesis adecuada para un determinado floculante con un alto rendimiento de
floculación puede ser optimizada por adelantado sobre la base de las características de
la relación contaminantes y estructura-actividad.
Por otro lado, en la literatura científica se encuentra estudios experimentales sobre una
serie de floculantes anfóteros a base de almidón (cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropil
trimetil amonio), modificado con diferentes proporciones de injerto con poli-(acrilamida-
co-ácido acrílico) denominado como SCPAMPAA, se han utilizado para la eliminación
de diferentes contaminantes de aguas residuales, como caolín y hematita (Yang et al.,
78
2015). La modificación química del floculante a base de almidón (S-CTA) es preparada
con 100 ml de una solución acuosa con 5% NaOH, posteriormente la adición de una
solución acuosa con CTA a un pH de 7. Para el proceso de copolimerización 2,0 g de
S-CTA en 200 ml de agua destilada. La solución se trató previamente por el iniciador
durante 5 min para suprimir la formación de poli (AM- co -AA) copolímero de antes de
la adición de la mezcla acuosa con cantidades conocidas de AM y AA (80% grado de
neutralización) gota a gota.
Según los resultados del espectro FTIR del almidón sin modificar, las bandas 3328 (O-
H), 2929 (C-O), 1153 (C-H) y 1,000 cm (C-O-C)-1 son las regiones características de la
cadena principal de polisacárido. Mientras que para los floculantes modificados a base
de almidón S-CTA, se han observado una fuerte banda a 1482 cm -1, la cual
corresponde a los grupos metilo de los grupos de amonio cuaternario (Yang et al.,
2011). Para el espectro de SCPAMPAA6, las banda de 1561 y 1657 cm-1 se atribuyen
a grupos amida y carboxilato, respectivamente (Yang et al., 2012 y Wang et al., 2013).
Según los resultados de varias investigaciones, la actividad eficiente de los floculantes
derivados del almidón y modificados SCPAMPAA se ha determinado a partir de dosis
relativamente bajas, esto debido a que la remoción de caolín del agua aumenta
rápidamente al comienzo, pero con el aumento de dosis de floculante no se obtiene
mayor remoción, además a dosis altas de floculantes significa no es un producto
económicamente viable por su alto costo, por tanto la dosis debe ser controlada en el
rango óptimo. Por otra parte, con sobredosis de floculante daría lugar a
reestabilización de los flóculos debido a la repulsión electrostática entre las partículas
coloidales cubiertos por floculantes. Sin embargo a medida que aumenta el pH, la dosis
óptima de floculantes eficaces también aumenta. En cuanto a la eliminación de la
suspensión de hematita con más cargas positivas que negativas presenta una óptima
actividad floculante por floculantes con cargas negativas como SCPAMPAA a pH 4 –
11. Por lo tanto, diferentes floculantes anfóteros, SCPAMPAA, permiten una amplia
aplicabilidad potencial para flocular diversos contaminantes coloidales con diferentes
cargas superficiales en el agua.
79
El mecanismo de coagulación y floculación sugerido por diferentes estudios, es
principalmente neutralización de cargas. Sin embargo, dos tipos de mecanismos de
floculación como es neutralización de la carga y aplicación de parches pueden ser
causados por las cargas de atracción (Guibal et al., 2006). A partir del mecanismo de
neutralización de carga, las partículas coloidales con cargas positivas y negativas son
neutralizado y adsorbido por los floculantes con cargas opuestas, posteriormente, las
partículas desestabilizadas forman flóculos grandes. Por lo tanto, las cargas de
superficie opuestas entre floculantes y contaminantes que confirman el efecto
predominante de la atracción de cargas. Por ejemplo, para la eficaz floculación de
contaminantes como ácidos húmicos y caolín se adsorben sobre los floculantes a base
de almidón que contienen grupos fuertemente catiónicos, formando un gran número de
flóculos, por lo tanto la formación de complejos entre floculante y ácidos húmicos para
la posterior formación de flóculos de mayor tamaño. Mientras que para la eliminación
de algunos minerales del agua como hematita cargados positivamente, requiere de
floculantes derivados del almidón, como CMS-CTA que está formado con ambos
grupos aniónicos y catiónicos.
Algunos parámetros externos como la dosis de los floculantes, concentración de
contaminantes (ácidos húmicos, caolín, hematita) y pH pueden alterar la capacidad
floculante. Existe una relación entre dosis de floculante y concentración contaminantes,
debido a que las dosis óptimas de todos los floculantes aumentó con concentraciones
crecientes de contaminantes en el agua, lo que confirma adicionalmente los efectos de
neutralización de la carga (Guibal et al., 2006). De acuerdo a los trabajos
experimentales estos floculantes presentan eficaz remoción de partículas coloidales en
condiciones acidas, esto debido a que si el pH aumenta, las cargas positivas de los
floculantes disminuyen, pero las cargas negativas de caolín y ácidos húmicos son más
notables, lo que requiere más floculante para neutralización de la carga.
80
8.3. COAGULANTES Y FLOCULANTES PARA LA ELIMINACION DE
METALES PESADOS
8.3.1. Opuntia ficus indica
Opuntia ficus indica (cactus) pertenece a la Familia Cactaceae, es originaria de
América del Sur, pero también se encuentra en África, Australia, sur de Europa y Asia,
actualmente esta planta se encuentra en la mayor parte del mundo (fig.29). Es una de
las plantas que ha sido ampliamente investigada debido a sus propiedades medicinales
y como fuente alimentaria dietética (Saravanakumar et al., 2015). Recientemente, O.
ficus ha sido investigada como un agente coagulante y floculante para la
descontaminación de aguas superficiales y residuales que contienen altos niveles de
iones de metales pesados, turbidez, colorantes y Demanda Química de Oxigeno.
Opuntia ficus indica presenta alta capacidad de coagulación, debido a la presencia de
carbohidratos complejos almacenados en los cladodios del cactus que tienen buena
capacidad de retención de agua. Por lo tanto, las partes del cactus utilizadas en el
proceso de coagulación y floculación son generalmente el mucilago y cladodios.
Además, en algunos trabajos experimentales recientes de los autores Bustillos et al.
(2013) sugieren que la mayoría de las partes frescas o secas presentan actividad de
coagulación, debido a la que los agentes coagulantes activos del cactus son
polielectrolitos naturales viscosos con cargas superficiales bajo condiciones ácidas. Por
lo tanto, O. ficus se considera como un material natural, económico y biodegradable
para la descontaminación del agua.
81
Figura 29. Cladodios de Opuntia ficus indica utilizados en el tratamiento de aguas
residuales (FAO, 2013).
La extracción de los componentes activos coagulantes del cactus se ha obtenido a
partir de los cladodios previamente secados y molidos hasta a un polvo fino. Los
componentes O. ficus fue caracterizado mediante la técnica de FTIR, para identificar
que grupos funcionales son activos en la actividad coagulante de metales pesados. De
acuerdo a los resultados, los autores afirman que el ácido poligalacturónico es el
agente activo del polvo extraído de los cladodios de O. ficus, el cual proporciona
actividad de coagulación de metales pesados (Jadhav y Mahajan 2014).
La capacidad coagulante del polvo de los cladodios de cactus han sido probados en la
coagulación y floculación de iones de metales pesados como el Pb+2, Zn+2, Cd+2 y Cu+2
de aguas residuales (Nharingo et al., 2015). Las condiciones óptimas que sugieren los
autores son dosis de 1,8 g / L de polvo O. ficus, 10 mg / L de concentración de iones de
metales pesados a un pH de 5 y 35°C. A partir de estas condiciones han obtenido
máxima actividad de coagulación de iones Pb II con porcentajes de remoción hasta del
100%. Para la reducción de los iones Zn+2, Cd+2 y Cu+2 se han obtenido valores de 86
%, 84 % y 93.02 %, respectivamente. Las diferencias de los porcentajes de
coagulación de los metales pesados analizados, se debe a las propiedades físicas y
químicas de los metales pesados (Nharingo y Ngwenya, 2013).
En otros estudios, se ha utilizado el polvo de los cladodios de O. ficus-indica en el
tratamiento de las aguas residuales provenientes de curtiembres, mediante la
82
optimización de dosis y pH en el test de jarra convencional. Según los resultados, a
dosis de 0,4 g/L y pH de 5,5 los porcentajes de eliminación de la turbidez y DQO son
de 78% y 80%, respectivamente, por lo tanto puede ser aplicado en el tratamiento de
agua de curtiduría (Kazi y Virupakshi, 2013).
Por otra parte el uso del mucilago del cactus también ha reportado eficacia en la
coagulación de contaminantes de aguas residuales. En diferentes investigaciones, la
extracción del mucilago del cactus se obtuvo por ebullición de cladodios frescos,
posteriormente es secado y molido, para obtener una muestra de cactus en polvo
(Torres et al., 2012 y Bustillos et al., 2013). Mediante el método de extracción del
mucílago, y con dosis de 40 mg / L de mucilago a un pH de 5 se han reportado máxima
eliminación con valores de 91% de turbidez y de 88% de la DQO. Por lo tanto, la
coagulación de turbidez y de la DQO de las aguas residuales depende en gran medida
del método de extracción de los agentes coagulantes de O. ficus.
La actividad de coagulación y floculación de los metales pesados se lleva a cabo
mediante diferentes mecanismos de reacción: compresión de doble capa, adsorción y
neutralización de carga, adsorción entre puentes de partículas, floculación de barrido y
parche electrostático (Miller et al., 2008 y Renault et al., 2009). Sin embargo, de
acuerdo a los estudios reportados el mecanismo predominante en la coagulación de
turbidez utilizando O. ficus es de adsorción y de puente. Para el estudio de la
coagulación de iones de metales pesados como el Pb+2, Zn+2, Cd+2 y Cu+2 de las aguas
residuales mediante el agente coagulante de O. ficus indica, se lleva a cabo a través
de adsorción y neutralización de cargas y adsorción de puente debido a la naturaleza
aniónica y la macromolécula del ácido galacturónico desprotonado en el coagulante
(Nharingo et al., 2015).
Algunos parámetros físicos y químicos a tener en cuenta son el pH, dosis del
coagulante, y concentración de los metales pesados, ya que estos factores pueden
alterar la eficacia de la actividad de coagulación y floculación. Teniendo en cuenta que
el pH depende en gran medida del porcentaje de remoción de iones de metales
pesados Pb, Zn, Cd y Cu, se han probado los intervalos de pH 2 – 8, de acuerdo a los
83
resultados, el porcentaje de coagulación de metales pesados aumentó a un pH 5,
debido a que a medida que aumenta el pH puede provocar que los iones de metales
pesados fueran la especie catiónica dominante en solución. Por otra parte a un pH 8 se
evitó en este estudio, porque contribuye a la formación de precipitación de Pb(OH)2,
por tanto sería confundida con la actividad de coagulación y floculación. Vijayaragharan
et al., (2011) afirma la atracción electrostática entre los iones metálicos positivos y los
sitios de carga negativa del floculante, dando como resultado una eficaz coagulación
del metal a medida que el pH aumenta.
El efecto de la dosis de O. ficus, se ha determinado utilizando diferentes dosis entre (2
y 8) g / L, que según los estudios, afirman que la dosis optima es de 8 g / L, ya que el
aumento en la dosis contribuye a un aumento en sitios cargados negativamente
disponibles para la agregación de iones metálicos, para obtener coagulación eficaz de
los iones Pb, Zn, Cd y Cu. Por lo tanto el aumento de la eliminación de metales
pesados tiene que ver con la dosis optima, debido a que a dosis superiores de 8 g / L
hay una disminución gradual en la actividad de coagulación. En cuanto a la
concentración inicial de los metales pesados, es alterada la actividad coagulante
cuando aumentan las concentraciones iniciales de los iones y el tamaño de las
partículas de O. ficus. Por tanto a bajas concentraciones, la mayoría de los iones
metálicos presentes en la solución interactuarían con los sitios activos del floculante,
dando como resultado alto porcentaje de eliminación de iones metálicos (Nharingo et
al., 2015).
8.4. Musa spp
Musa spp (plátano) es una fruta que pertenece a la familia Musácea, cultivadas
ampliamente en las regiones tropicales como fuente de alimentos e ingresos para la
población. El plátano presenta propiedades nutricionales y también con usos
terapéuticos. Algunos autores Kakoi et al. (2016) han investigado la medula del plátano
84
para utilizarla como agente coagulante de aguas contaminadas. La medula de plátano
es un polielectrólito natural que no ha sido utilizada para fines económicos importantes.
Las ventajas del uso de polielectrólito orgánico en lugar de alumbre incluyen: los
requisitos de dosis más baja coagulante, menor aumento de la carga iónica del agua
tratada, la reducción del nivel de aluminio en el agua tratada y el ahorro de costes.
Coagulantes orgánicos, en la mayoría de los casos, actúan a través de adsorción de
puente y neutralización de la carga.
Los componentes activos en el proceso de coagulación y floculación de contaminantes
de aguas residuales se han llevado a cabo mediante la previa limpieza, secado y
molido de la médula del plátano, hasta la obtención de polvo. El extracto en forma de
polvo de la medula fue caracterizado a partir de técnicas de FTIR, encontrando en los
espectros que la medula presenta varios grupos funcionales como son, bandas
características en la región 3370 cm-1 se atribuye a las vibraciones del grupo O-H, que
se pueden encontrar en las macromoléculas, tales como celulosa y pectina. Las
bandas en 1029 cm -1 se asociaron con las vibraciones de C-O-C y O-H atribuidas a los
polisacáridos (Ibarra y Moliner, 1991), mientras que la banda en 1317 cm -1 podría
atribuirse a grupos C-N presentes en la superficie de la biomasa. Gracias a la
presencia de un gran número de grupos funcionales en la médula del plátano indica su
potencial para coagular una amplia gama de contaminantes de aguas de ríos.
Teniendo en cuenta que los polisacáridos es el agente coagulante activo para la
reducción de diversos contaminantes del agua, se han utilizado en forma de polvo de la
medula para la coagulación de muestras de aguas de ríos con altos índices de
contaminación mediante la prueba de jarra. El proceso de coagulación se llevó a cabo
con dosis de 0,1 kg / m 3 de coagulante a un pH de 4,0 y concentraciones iniciales de
279 NTU de turbidez, 160 mg / L de DQO, 544 mg / L de sulfatos, 2260 mg / L de
nitratos, 149 mg / L de cobre, 323 mg / L de cromo, 19 mg / L de hierro y 194 mg / L de
plomo. Teniendo en cuenta los resultados, el polvo de la médula del plátano presenta
altos porcentajes de reducción 98, 54, 99, 89, 100, 100, 92 y 100% de turbidez, DQO,
sulfatos, nitratos, cobre, cromo, hierro y plomo, respectivamente.
85
La medula de plátano es un polielectrólito natural, el cual interacciona con los
contaminantes del agua generalmente por los mecanismos de coagulación:
neutralización de la carga y puente entre partículas (Bertsch et al., 1986). Este estudio
evaluó la médula plátano como una alternativa a los agentes de coagulación de metal
convencionales.
La actividad coagulante y floculante puede ser alterada por los algunos factores como
la dosis de agente coagulante y pH. La capacidad máxima de coagulación de sólidos
en suspensión fue del 98% con dosis de 0,1 kg / m3 de médula plátano. Sin embargo a
dosis de superiores disminuye el porcentaje de eliminación a 93%. Por lo tanto, dosis
bajas de coagulante son más eficaces, debido a la alta densidad de carga del
coagulante mediante el cual las dosis menores son suficientes para la desestabilización
de las partículas en suspensión (Ahmed et al., 2006), mientras que las dosis más
grandes pueden causar interferencias. A partir de un pH > 4 la eficiencia de la
coagulación de sólidos en suspensión aumenta significativamente, debido a la
protonación de algunos de los grupos funcionales tales como amino y carboxilo
resultando en una alta densidad de carga positiva que ejerce fuertes fuerzas
electrostáticas sobre la materia coloidal cargada negativamente (Aparecido et al.,
2015).
8.5. Moringa oleífera
En diferentes investigaciones han utilizado el extracto acuoso con las semillas de M.
oleífera, previamente secas y molidas para eliminar metales pesados, como el cobre,
plomo, cadmio y cromo presentes en aguas residuales. La identificación de la actividad
coagulante y floculante se llevó a cabo con dosis de 2 g / L de coagulante con
concentraciones iniciales de 5 mg / L de cada uno de los iones metálicos, que de
acuerdo a los resultados, los porcentajes de remoción fueron 95% de cobre, 93% de
Plomo, 75 % de cadmio y 70% de cromo. Teniendo en cuenta los resultados
significativos de coagulación, la M. oleífera es una planta considerada como coagulante
86
alternativa en el proceso de coagulación y floculación del agua residual. El mecanismo
que produce la coagulación de metales pesados es a través de la adsorción y
neutralización de las cargas positivas de los iones metálicos (Muyibi et al., 2004)
En otros estudios experimentales, la extracción de los componentes activos de la
Moringa mediante la extracción del aceite de las semillas previamente secas y molidas,
por medio de etanol para obtener residuo de semillas con solo el 50 % de aceite,
debido a que la presencia de aceite en la semillas de M. Oleífera tienen un efecto en la
actividad de coagulación de metales pesados, sin embargo un alto contenido de aceite
en las semillas tendría un impacto negativo en el proceso de tratamiento de aguas
residuales (García Fayos et al., 2010). Es necesario retirar un porcentaje de aceite de
las semillas de Moringa para que las proteínas sean activadas y se combinen con los
metales pesados que conduce a la formación de complejos, esto debido a que los
componentes coagulantes se extraen después de la extracción de aceite porque no
es soluble con el lípido (Sajidu et al., 2005, Meneghel et al. 2013)
En algunos estudios han buscado la eliminación de otros metales como Fe, Cu, Cd y
Pb mediante el uso de las semillas del árbol Moringa oleífera, sus componentes activos
son proteínas solubles en agua, con carga positiva que actúan como un coagulante
eficaz para el tratamiento de aguas residuales. Las semillas de M. oleífera exhiben
eficiencia tanto en la eliminación de turbidez, colorantes, demanda química de oxígeno
DQO, demanda biológica de oxígeno DBO, como también presenta eficiencia en la
coagulación de metales pesados tales como Fe, Cu, Cd y Pb presentes en muestras de
agua preparadas y provenientes de ríos. La capacidad de coagulación y floculación de
diferentes contaminantes, confirma el gran potencial de las semillas de M. oleífera en
aplicaciones de tratamiento de aguas residuales (Ndibewu et al., 2011).
El proceso de coagulación y floculación se llevó a cabo en pruebas de jarra con
diferentes concentraciones del polvo de las semillas (50, 100 y 150) mg, en suspensión
en agua destilada para obtener 10.000, 20.000 y 30.000 mg / L (Alo et al., 2012). Estas
dosis han sido utilizadas con altos niveles de metales pesados: Cu (1,401 mg / L), Cd
(1,887 mg / L), Fe (1,414 mg / L) y Pb (1,854 mg / L). Los resultados de diferentes
estudios, reportaron que el residuo de las semillas de Moringa presenta eficaz
87
coagulación de metales pesados. Después del tratamiento se han obtenido
porcentajes de eliminación de hasta el 90% de los iones metálicos Cu y Ni. La
concentración del ion metálico de Fe es reducida hasta el 92% mediante las semillas
de Moringa. En cuanto a los valores de contaminación de Pb, la actividad de
coagulación del Pb es del 89% (Sajidu et al., 2005, Subramanium et al., 2011,
Meneghel et al., 2013).
Algunos de los parámetros físico-químicos como el pH pueden alterar la capacidad de
coagulación de los agentes coagulantes en el tratamiento del agua residual, sin
embargo de acuerdo a los estudios experimentales no se presenta ningún cambio
significativo en el valor del pH. Teniendo en cuenta que el pH para el agua normal debe
ser 6,5-8,5 (OMS 2006). Por otra parte, el aumento de la concentración de las semillas
de Moringa mostró una alta eficiencia en la eliminación de los metales pesados
presentes en aguas residuales. Por lo tanto, los autores sugieren que el residuo de las
semillas Moringa Oleífera podría ser la mejor opción para la industria de tratamiento de
aguas residuales (Ndibewu et al., 2011).
8.6. Acacia mearnsii
Tanfloc es un tanino-extracto de agua vegetal, constituida principalmente de
estructuras flavonoides con un peso molecular promedio de 1,7 kDa. Más grupos como
gomas hidrocoloides y otras sales solubles se incluyen en la estructura Tanfloc. La
modificación química incluye un nitrógeno cuaternario que da al producto comercial
Tanfloc carácter catiónico (Beltrán Heredia, Sánchez Martín, 2009). En diferentes
investigaciones han utilizado el compuesto coagulante Tanfloc, el cual según reportes
tiene un alto poder floculante derivado de los taninos obtenidos de la corteza de la
especie de Acacia mearnsii en la coagulación de los metales pesados como (Ni2+, Cu2+
y Zn2+) presentes en las aguas superficiales que se ha contaminado debido a la
actividad industrial.
88
Para la determinación de la actividad coagulante de Tanfloc en eliminar Ni2+, Cu2+ y
Zn2+ presentes en aguas superficiales, se han utilizado diferentes dosis de coagulante:
20, 50, 100 y 150 ppm, para la coagulación de concentraciones de 20 ppm de metales
pesados, la coagulación de Cu2+ es significativa a medida que los valores de pH y las
dosis de coagulante aumentan y por tanto mejora la eliminación de metal hasta en un
90%. Para la reducción de Zn2+ a pH de 11 se han obtenido hasta un 75 %. Mientras
que la coagulación de Ni2+ han se han reducido hasta el 70%. Según los resultados, los
autores sugieren usar valores de pH más altos entre 7 y 9 como también dosis de
coagulante de 150 ppm, ya que a partir de estos niveles de pH y el aumento de dosis,
el porcentaje de eliminación del Níquel aumenta.
El pH es uno de los factores que influyen en la capacidad de coagulación de metales
pesados con el agente coagulante Tanfloc, esto debido a que el pH es un parámetro
importante a la precipitación de hidróxido de metales, por lo tanto los autores sugieren
ajustar el pH con el fin de evitar este efecto y determinar la eliminación de metal
causada simplemente por los procesos de coagulación y floculación. El ajuste del pH
se ha realizado mediante el test de jarras, el cual inicialmente se llevó a cabo sin la
adición de floculante 100 rpm durante 2 min de tiempo, y 30 rpm durante 20 min,
determinando así la concentración de metales (Beltrán Heredia, Sánchez Martín, 2009).
8.7. Quitosano
La quitina (poli [β- (1-4) -2-acetoamido-2-desoxi- D-glucopiranosa]), es un polímero de
N-acetil-D-glucosamina, se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza,
especialmente en los exoesqueletos de los invertebrados marinos tales como gambas,
cangrejos y langostas, en la literatura se encuentra que los desechos de estos
animales pueden ser procesados para producir quitina (Bratskaya et al., 2009), y
utilizados en aplicaciones industriales y otros.
89
El quitosano es un compuesto derivado de la quitina, formado por un heteropolímero D-
glucosamina y una fracción de N-acetil- D-glucosamina. Según las investigaciones,
este es un compuesto catiónico utilizado como agente coagulante y floculante en el
tratamiento de aguas residuales contaminadas con materia orgánica y como un agente
quelante para la eliminación de metales tóxicos (pesados y reactivos) de las aguas
residuales industriales y eliminación de materiales proteicos presentes en la industria
de alimentos (An, Park, y Kim, 2001), debido a las características que posee el
quitosano, incluyendo hidrofilicidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad, propiedades
antibacterianas y una notable afinidad para muchas proteínas, Por lo cual, es un
polímero utilizado en la eliminación de proteínas.
Algunos estudios de Gamage y Shahidi, (2007) han utilizado los desechos de cangrejo
para la obtención de Quitosano mediante la desacetilación de la quitina en medio
alcalino utilizando 50% de NaOH en agua destilada durante 4, 10 y 20 horas. De
acuerdo con los tiempos de desacetilación obtuvieron tres tipos de quitosano Tipo 1 (20
h), Tipo 2 (10 h) y tipo 3 (4 h) y el grado de desacetilación para los tipos de quitosano
fue 91,3%, 89,3% y 86,4%, respectivamente. Los tres tipos de quitosano con dosis de
0,1 g / L han sido probados en la quelación de iones metálicos de Mn (II), Co (II), Cd
(II), Hg (II), Pb (II), Cu (II) y Zn (II ) presentes en muestras de aguas residuales
obtenidos a partir de una mina de zinc en diferentes niveles de pH: 5, 6 y 7.
De acuerdo a los resultados, el Quitosano presenta eficaz capacidad quelante en la
eliminación de metales pesados a partir de concentraciones de 50 ppm, han obtenido
porcentajes de remoción de más del 99% a excepción de Co (II). Además
quitosano Tipo 1 presenta mayor actividad de quelación de metales en comparación
con los tipos 2 y 3. Sin embargo los tres tipos de quitosano son eficaces en la quelación
de los iones metálicos Hg (II) a diferentes condiciones de pH, seguido por los iones
metálicos de Fe (II) con actividad quelante a pH 5. Teniendo en cuenta que se probaron
a tres valores de pH, el que presenta mejor quelación de los metales pesados es a pH
7. Esto podría ser debido a la mayor disponibilidad de grupos amino a valores de pH
más altos (Bassi et al., 2000).
90
En otras investigaciones han utilizado floculantes ecológicos a base de quitosano
modificado (BDAT-CTS) el cual posee grupos funcionales de anillos aromáticos,
necesarios para la interacción con otros anillos aromáticos de contaminantes y se
aplican para eliminar Cu II (Zhang et al., 2014). La síntesis de BDAT-CTS, se lleva a
cabo, mediante una reacción de eterificación entre el quitosano y BDAT (fig. 30). La
caracterización de extractos se realizado con el análisis de espectros FTIR,
encontrando grupos N-H y C-O-C en las regiones 1602 cm y 1082 cm,
respectivamente, los cuales son característicos de quitosano. Las vibraciones de C=N y
C-N corresponden a la presencia de anillos aromáticos de BDAT que cambió a 1624 y
1393 cm -1 en el producto final. Los picos característicos detectados de BDAT en el
floculante sintetizado confirmado directamente que los grupos funcionales específicos
diseñados se habían introducido en cadenas principales de quitosano (Zhang et al.,
2014).
Figura 30. Ruta de síntesis de BDAT-CTS (Zhang et al., 2014).
El rendimiento óptimo de floculación del compuesto ecológico BDAT-CTS en la
eliminación del ion metal cobre está relacionada con algunos parámetros
experimentales como el pH y la dosis de floculante, ensayos con pH acido, el Cu II se
91
carga positivamente, mientras que a pH básico las cargas de los contaminantes son
negativas. Por lo tanto el intervalo de pH eficaz en la floculación es de 6 a 8, en el que
el floculante y los contaminantes tenían cargas superficiales opuestas. Por tanto, tal
rango fue seleccionado en los siguientes experimentos de floculación. De acuerdo a los
resultados a mayor concentración de Cu II mas floculante se requiere, por lo que
presenta una relación lineal entre la dosis óptima y la concentración inicial de cobre
(Jarvis et al., 2012).
A partir del análisis de los flóculos mediante la técnica FTIR, se ha determinado el
mecanismo de floculación. En los espectros FTIR, las bandas características 1624 y
1393 cm-1 en BDAT-CTS desplazado con picos ampliados a 1638 y 1381 cm -1 para los
flóculos formados por BDAT-CTS y Cu II. Esto era debido a la coordinación entre los
átomos de Cu y grupos amino en los anillos aromáticos de BDAT. Por lo tanto, el
floculante ejerce tanto la atracción de cargas y el efecto coordinación con Cu (II)
(Zhang et al., 2014).
Algunos autores Chang et al. (2009) afirman que el quitosano presenta floculación de
metales pesados por coordinación. Sin embargo los compuestos complejos producidos
no pueden precipitar muy bien. Por lo cual, los autores sugieren modificar el quitosano,
mediante la reacción de quitosano con ácido mercaptoacético (TGA), para obtener el
producto mercaptoacetil quitosano. En los estudios se ha introducido el grupo mercapto
porque es un ligando fuerte para metales pesados, el mercaptoacetil quitosano puede
formar el quelato insoluble y complejo con las especies de metales pesados, logrando
eficaz floculación de estos, presentes en aguas residuales.
Para determinar los componentes que intervienen en la floculación, se han identificado
mediante análisis infrarrojo. Se han analizado tanto espectros FTIR de quitosano como
de mercaptoacetil quitosano, las nuevas absorciones aparecen en el espectro de
absorción cuando el quitosano reacciona y se obtiene el producto mercaptoacetil
quitosano. En la región 2562.96 cm-1, característica de una banda débil se encuentra el
grupo mercapto y en las regiones a 1574,42 cm-1, 3266,67 cm-1, la absorción débil a
1634,18 cm-1 y la débil absorción a 1523,33 cm-1 pertenecen a la segunda amida. Estas
92
absorciones muestran que la nueva macromolécula tiene grupos mercapto y grupos
secundarios amida (Kim, 2003).
El proceso de floculación se ha llevado a cabo con muestras de agua un pH de 5.0
contaminadas con cobre, las cuales se trataron con mercaptoacetil quitosano y
posteriormente con mercaptoacetil combinado con poliacrilamida hidrolizada al 0,01%.
De acuerdo a los resultados, el producto floculante ecológico mercaptoacetil quitosano
presenta eficaz actividad de floculación de iones de cobre con un 88,89%. Además al
tratar aguas con presencia de turbidez, la floculación de iones de cobre alcanza al
96,3%. Sin embargo, al adicionar mercaptoacetil quitosano combinado con 0.01 % de
poliacrilamida hidrolizada HPAM, la eliminación de iones de cobre aumenta hasta
98,15%. Esto debido, a que el compuesto mercaptoacetil quitosano reacciona
eficazmente con el ion cobre no solo por reacción de coordinación entre –NH2 y Cu2+,
sino también mediante la quelación entre el grupo mercapto y Cu2+, por tanto, este
floculante conduce el efecto de puente entre las partículas, obteniendo flóculos
suficientemente grandes para permitir una sedimentación rápida y posterior separación,
lo que conduce a una eficaz eliminación (Chang et al., 2009).
93
9. DISCUSIÓN
En las investigaciones hasta la fecha, sobre el uso de coagulantes y floculantes de
origen natural para el tratamiento de aguas residuales y superficiales, se han sugerido
el uso de diversas especies vegetales por su eficaz actividad coagulante.
Generalmente, las semillas son las partes de las plantas más utilizadas, como son
extraídas de Moringa oleífera, Aesculus hyppocastanum, Quercus robur, Plantago
mayor, Jatropha Curcas, Vitis vinífera, Phaseolus vulgaris y Vicia faba L; como también
son utilizadas las cáscaras de Plantago psyllium y las vainas de Cassia obtusifolia,
Abelmoschus esculentus y las vainas y mucilago de Opuntia ficus indica. En la tabla 1,
se resume los resultados de la actividad de coagulación y floculación de las anteriores
especies vegetales usadas en diferentes estudios para la eliminación de turbidez, color
y solidos suspendidos. En los estudios en la clarificación del agua, uno de los
parámetros más estudiados es la reducción de la turbidez, y a partir de estos
coagulantes y floculantes de origen vegetal se han informado reducciones de turbidez
de al menos 90% como se observa en la tabla 1. Diferentes trabajos experimentales
sobre coagulantes y floculantes de origen natural, han informado a los extractos
acuosos de semillas de Moringa oleífera como uno de los más investigados por su
eficacia en el tratamiento de aguas y aguas residuales. Los reportes encontrados en las
bases de datos, presentan eficiencias de alto rendimiento hasta más del 98% en la
eliminación de diversos contaminantes, generalmente turbidez, solidos suspendidos y
metales pesados presentes en muestras de aguas residuales y superficiales, por lo
cual es una especie viable para utilizar a escala industrial.
94
9.1. Tabla 1. Resumen de la actividad coagulante y floculante de diferentes especies
vegetales en el tratamiento de aguas residuales.
Especie vegetal/ animal
Partes utilizadas
Agente coagulante
Solución de extracción
Dosis coagula
nte (mg/l)
pH
Reducción de contaminantes (%) Referencias
Bibliograficas Turbidez Color SST DQO
Moringa oleífera
semillas con
cascara Proteínas
agua destilada
500 7 95
Gassenschmidt et al., 2005
Moringa oleífera
semillas sin cascara
Proteínas agua
destilada 50 7 98,2
Gassenschmidt et al., 2005
Cassia obtusifolia
vainas Proteínas agua
destilada 750 4 86,9 36,2
Singh et al., 2009
Jatropha curcas
semillas con
cascara Proteínas 0,5 M NaCl 120 3 99
Abidin et al., 2011.
Aesculus hyppocastanu
m semillas Proteínas
agua destilada
0,5 10 80 Sciban et al.,
2009
Quercus robur semillas Proteínas agua
destilada 0,5 10 70
Sciban et al., 2009
Abelmoschus esculentus
vainas Polisacáridos agua
destilada 3,2 6 97,24 93,57 85,69%
Mishra et al., 2002
Plantago mayor L
semillas Polisacáridos agua
destilada 300 6,5 82 92
Chaibakhsh et al., 2014
Opuntia ficus indica
mucilago Polisacáridos agua
destilada 40 7 91
Nharingo et al., 2015
Vitis vinífera Semillas polifenoles 70 % etanol 1500 6 95 Jeon et al.,
2009
Plantago psyllium
cascaras Polisacáridos agua
destilada 400 7 27 41 17
Mishra et al., 2002
Phaseolus vulgaris
semillas Proteínas 0,5 M NaCl 0,25 10 47,7 2,32 Antov et al.,
2010
Vicia faba L. semillas Proteínas agua
destilada 0,5 7 48
Kuki´c et al., 2015
Residuos agrícolas
ácido 2-
hydroxypropanoico
agua destilada
98 2,38 Moldes et al.,
2007
Residuos agrícolas
Semillas
2-hidroxipropa
noato de calcio
agua destilada
85 Moldes et al.,
2007
Escamas de pescado
Escamas Proteínas agua
destilada 5000 7 90 98
Musa et al., 2015
Como puede verse en la tabla 1. La presencia de componentes activos como los
polisacáridos y las proteínas en las especies vegetales se han relacionado con la
eficiencia en la purificación de muestras de aguas residuales. Por ejemplo, las
proteínas son los componentes activos en la actividad coagulante de las semillas de M.
oleífera, generando la coagulación de turbidez hasta del 98%. Estos agentes presentan
95
capacidad coagulante y floculante tanto en semillas con cascaras como sin ella, las
primeras muestran actividad coagulante en el tratamiento de aguas con alta turbidez
inicial 426 NTU, mientras que las semillas sin cascara reportan capacidad coagulante
en aguas con baja turbidez 105 NTU. Por lo tanto ante tratamientos de aguas un
eventual escalamiento a nivel industrial, no es necesario retirar la cascara de la semilla
de la moringa para el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, para aguas con
turbidez inicial de 105 NTU se han utilizado dosis de 50 mg/l de semillas sin cascara,
mientras que se necesitan dosis hasta diez veces mayor para las semillas con cascara,
ya que las proteínas activas están menos concentradas en los extractos acuosos de
semillas con cascara (Ndabigengesere, et al 1995).
A partir del mucilago de O. ficus indica (cactus) han extraído el ácido galacturónico
como agente predominante en el proceso de coagulación (Fuentes et al.,
2011). Aunque la óptima coagulación de turbidez con Opuntia podría atribuirse a las
composiciones totales de arabinosa, galactosa y ramnosa que se han encontrado para
tener efectos sinérgicos con ácidos galacturónico en promover la efectiva reducción de
contaminantes (Miller et al., 2008). Las composiciones inmediatas de proteína e
hidratos de carbono entre estos tipos de semillas podría ser el factor subyacente que
conduce a las variaciones en la eficacia del tratamiento. Mientras que los agentes
coagulantes de Cassia obtusifolia fueron extraídos de las vainas en solución acuosa.
Las proteínas de esta especie generan hasta el 99% de reducción de turbidez con 88%
de eliminación de sólidos suspendidos, por lo tanto, al igual que la Moringa es una de
las plantas más estudiadas por su eficacia. Las diferencias en los valores de la
actividad de coagulación, pude ser debido a las composiciones de proteína y
polisacáridos entre estos tipos de especies, lo cual conduce a las variaciones en la
eficacia del tratamiento como se observa en la Tabla 1.
Con el fin de estudiar la eficacia en el proceso de extracción de los agentes
coagulantes de las diversas especies vegetales, se han utilizado diferentes disolventes
y concentraciones utilizando principalmente NaCl, NaOH y agua destilada para extraer
el agente coagulante activo de las plantas y posteriormente la óptima eliminación de los
contaminantes generalmente de turbidez de las aguas residuales. De acuerdo a las
96
investigaciones reportadas, se encontró que las proteínas extraídas de las semillas de
J. curcas proporcionan eficiente actividad de coagulación en solución NaCl a 0,5 M
mediante la eliminación de turbidez hasta más del 99% a una turbidez inicial de 500
NTU de las aguas residuales, en comparación con solventes como NaOH y agua
destilada. Por lo tanto a medida que la concentración de NaCl aumenta hasta 0,5 M,
más agente coagulante se extrae de las semillas, aumentando la eficacia en la
eliminación de turbidez, esto puede ser debido a que a altas concentraciones de sal
aumentan las disociaciones proteína-proteína y solubilidad de la proteína en la solución
en comparación con otros disolventes (Okuda et al., 1999).
Otra de las plantas investigadas por su eficacia en el proceso de coagulación es el
mucílago de Abelmoschus esculentus (okra), un polisacárido aniónico utilizado en la
eliminación de la turbidez, material orgánico y color de las aguas residuales textiles.
Los polisacáridos de okra se han utilizado de manera eficiente como coadyuvantes, por
ejemplo se han investigado dosis bajas de 88,0 mg / L de Fe 3+ coagulante con dosis
de 3.20 mg / L de mucílago de okra, logrando una óptima capacidad coagulación de
97,24% de turbidez, 85.69% de la DQO y el 93,57% del color. Esta capacidad de
coagulación se debe entre otros factores a la dosis óptima del floculante en la
suspensión, lo que provoca una mayor cantidad de partículas de colorante a agregarse
y asentarse. En general, la reducción de la turbidez es eficaz con los agentes
coagulantes derivados de las especies vegetales con más del 90%, mientras que con
otras especies vegetales no se han obtenido capacidades de coagulación significativas,
esto debido a las diversas formas de extracción de los agentes coagulantes naturales
como de las estructuras químicas de los coagulantes reportados. En trabajos
experimentales se ha informado que las eficiencias de eliminación de DQO, color y
TSS mediante el extracto de las cáscaras de P. psyllium, fueron porcentajes de 17%,
27% y 41%, respectivamente; por tanto de acuerdo a los resultados se puede concluir,
que la utilización de la cáscara de psyllium no es eficiente por si sola pero en presencia
de sales electrolíticas mejora exponencialmente, por lo mismo los bajos porcentajes de
eliminación reportados con bajas eficiencias de remoción de DQO, color y TSS.
97
La coagulación y floculación de colorantes catiónicos como cristal violeta son
eficientemente reducidos gracias al extracto etanólico de semillas de uva. Esto debido
a que las uvas contienen grandes cantidades de polifenoles, como la catequina y
diversos taninos y por lo tanto han obtenido optima capacidad de decoloración y
coagulación de los colorantes hasta el 95%, seguido de la formación de flóculos, lo que
indica que el extracto etanólico de uva puede inducir la coagulación y la floculación de
cristal violeta mediante interacciones supramoleculares entre colorantes catiónicos y
extractos etanólicos, en solución acuosa. Sin embargo las semillas de esta especie
como en otras, no se han reportado en la coagulación eficaz de otros contaminantes
como turbidez, metales pesados y solidos suspendidos.
Por otra parte, algunos agentes floculantes derivados de animales y especies vegetales
presentan actividad de coagulación en efluentes de agua con metales pesados y otros
contaminantes, sin embargo para llevar el proceso de coagulación es necesaria la
modificación química de los agentes coagulantes naturales. En la tabla 2. Se observan
la eficiencia de los agentes coagulantes modificados químicamente para la reducción
de diversos contaminantes. Entre los agentes coagulantes modificados están los
compuestos polifenólicos taninos, presentes en la mayoría de las hojas, frutos,
cortezas, etc., de un gran número de árboles, por ejemplo los taninos derivados de las
especies vegetales (Acacia mearsii, Schipnosis balansae) han sido investigados para el
tratamiento de aguas, mediante el proceso de cationización, el cual consiste en
someter los taninos derivados de las especies vegetales a un aminometilación
(reacción de mannich), ya que es necesario generar carácter catiónico al agente
coagulante para la posterior desestabilización y eliminación de las partículas coloidales
aniónicas de las aguas residuales. Los taninos se han utilizado en la industria del
curtido de pieles, en su mayoría pueden clasificarse en taninos hidrolizables y taninos
condensados (Sánchez et al, 2011).
98
9.2. Tabla 2. Resumen de la actividad coagulante y floculante de diferentes especies
vegetales en el tratamiento de aguas residuales.
Especie vegetal/ animal
Partes utilizadas
Agente coagulante
Modificación química
Dosis coagulante
(mg/l)
Reducción de contaminantes (%) Referencias
Bibliográficas Producto comercial
pH Tensoactivo Color Turbidez Microalgas
Acacia mearnsii
Corteza Taninos Reacción de
Mannich Tanfloc 7 100 80 95 93.3
Beltrán et al., 2010
Acacia mearnsii
Corteza Taninos Reacción de
Mannich Ecotan 7 100 99.4
Beltrán et al., 2011
Acacia mearnsii
Corteza Taninos Reacción de
Mannich Acquapol
C1 7 100 90 90
Sánchez et al., 2010
Acacia mearnsii
Corteza Taninos Reacción de
Mannich Acquapol
S5T 7 100
Barrado et al., 2015
Schinopsis balansae
Corteza taninos Reacción de
Mannich Silvafloc 7 100 80 90
Sánchez et al., 2010
Frutas Biomasa Celulosa CHPTAC 9QC 6 60 99 Mothar et al.,
2016
Mariscos Desechos de
exoesqueletos Polisacáridos cuaternización
Quitosano HACC
8 1000 98 Yang et al.,
2011
Mariscos Desechos de
exoesqueletos Polisacáridos
polimerización por injerto
CMC- g PAM11
4 80 92.86 Yang et al.,
2012
Mariscos Desechos de
exoesqueletos Polisacáridos
polimerización injerto
CMC- g PAM11
11 160 94.97 Yang et al.,
2012
Zea mays Semillas Almidón eterificación STC-CTA 12 100 90 Patterson et
al., 2016
Zea mays Semillas Almidón copolimerización
por injerto StC- g –PDMC
12 50 93 (Wang et al.,
2013)
Por otra parte en la tabla 2. Se muestra la actividad de coagulación y floculación de
colorantes y turbidez mediante la modificación química del Quitosano. De acuerdo a los
resultados encontrados, el Quitosano exhibe una óptima floculación de colorantes
aniónicos como el naranja de metilo, debido a que es un polielectrólito catiónico. Sin
embargo, no presenta una actividad coagulante significativa en la reducción de
colorantes catiónicos como el color amarillo básico brillante 7GL. Lo que significa que
el polielectrólito catiónico es incapaz de flocular colorantes catiónicos, por lo tanto se
han realizado investigaciones sobre floculantes anfóteros, los cuales contienen iones
catiónicos y aniónicos. Una serie de floculantes anfóteros de quitosano con injerto
CMC- g -Pam, se reportan en la literatura, siendo el más óptimo preparado con
proporciones de CMC y poliacrilamida (1:1), que se denomina CMC- g -PAM11, debido
a la repulsión electrostática más fuerte entre los polielectrolitos catiónicos y los
colorantes, además de la posterior formación de flóculos más densos. Mediante dosis
99
óptimas de 80 y 160 mg / L de agente coagulante se han utilizado en muestras aguas
contaminadas con colorantes naranja de metilo y amarillo básico, obteniendo
porcentajes de eliminación de hasta 92,87% y 94,97% de los colorantes,
respectivamente.
Además de los compuestos polifenólicos como los taninos, el almidón y la celulosa
extraído de diversas plantas también han sido reconocidos como agentes activos en
promover la coagulación y floculación; algunas de las especies que contienen almidón
son las semillas de Zea mays. El almidón derivado de las semillas ha sido modificado
para obtener hasta un 93% de eliminación de colorantes. Del mismo modo, la eficacia
de la celulosa derivada de la biomasa de diversos frutos ha sido necesario de
modificación química con el fin de obtener hasta el 99% en la coagulación de
principalmente turbidez (Tabla. 2).
Además de los estudios reportados con notables capacidades de coagulación de la
turbidez de aguas residuales, agentes coagulantes derivados de algunas plantas
también presentan propiedades en la eliminación de metales pesados (Tabla. 3). Los
estudios también han demostrado que los agentes coagulantes, tales como proteínas,
taninos y polisacáridos presentes en las especies vegetales O. ficus indica, M. oleífera,
Musa spp, A. mearnsii y Quitosano son capaces de eliminar más del 90 % de metales
pesados principalmente de plomo, cobre y zinc (Subramanium et al., 2011). Sin
embargo, la actividad coagulante y floculante de agentes naturales para la reducción de
metales pesados es escasa. También se han obtenido mucho más pequeñas
proporciones de eliminación de otros contaminantes, tales como cadmio y de hierro. La
médula de plátano es un polielectrólito natural que no ha sido utilizado para fines
económicos importantes. Por lo tanto trae diferentes ventajas como uso del
polielectrólito orgánico en lugar de alumbre incluyen: dosis más bajas de coagulante,
menor aumento de la carga iónica del agua tratada, la reducción del nivel de aluminio
en el agua tratada (Sánchez et al, 2011). En los resultados reportados, los
polisacáridos presentes en la medula de Mussa spp muestran eficiente coagulación
hasta con un 100% de eliminación de metales pesados como plomo, cobre y cromo
(Tabla 3).
100
9.3. Tabla 3. Resultados de la actividad coagulante de las especies vegetales en la
reducción de diferentes metales pesados.
El quitosano es un óptimo agente floculante debido a las características que posee
incluyendo hidrofilicidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad, propiedades
antibacterianas, y una notable afinidad para muchas proteínas (Bassi et al., 2000). Sin
embargo los compuestos complejos producidos no pueden precipitar muy bien.
Teniendo en cuenta que el Quitosano no presenta eficiente actividad coagulante para
eliminar iones de cobre, en algunos estudios han realizado modificaciones químicas
utilizando ácido mercaptoacético TGA, sin embargo como se puede observar en la
Tabla 3, los porcentajes de eliminación no son suficientes para una óptima floculación
de iones de cobre, mientras que a partir de la reacción de quitosano con ácido
mercaptoacético (TGA), se produce la macromolécula mercaptoacetil quitosano (MAC),
la cual exhibe una significativa eliminación de iones de cobre, porque el grupo
mercapto es un ligando fuerte para metales pesados, el cual puede formar el quelato
insoluble y complejo con las especies de metales pesados, logrando eficaz floculación
de estos, presentes en aguas residuales. Además, en trabajos experiméntales han
utilizado la macromolécula de mercaptoacetil quitosano (MAC) combinada con HPAM
Reducción de metales pesados (%)
Especie vegetal/ animal
Partes utilizadas
Agente coagulante
Modificación química
pH Dosis
coagulante (mg/l)
Pb+2 Zn+2 Cd+2 Cu+2 Cr+2 Hg+2 Referencias
Bibliográficas
Opuntia ficus
indica Cladodios
Ácido poligalacturónico
5 1800 100 86 84 93,02 Nharingo et
al., 2015
Musa spp Cascaras Polisacáridos 4 100 100 100 100 Kakoi et al.,
2016
Moringa oleífera
Semillas proteínas 7 2000 93 75 95 70 Ndibewu et
al., 2011
Acacia mearnsii
Corteza Taninos 11 150 75 90
Beltrán Heredia y Sánchez
Martín, 2009
Cangrejo desechos
exoesqueletos Polisacáridos (BDAT-CTS) 6 100 99 99 99 99 99
Zhang et al., 2014
Cangrejo desechos
exoesqueletos Polisacáridos MAC 5 100 88,9
Chang et al., 2009
Cangrejo desechos
exoesqueletos Polisacáridos MAC-HPAM 5 140 98,15
Chang et al. (2009)
101
(MAC-HPAM), porque la actividad de floculación de iones de cobre se puede elevar
hasta el 98%.
10. CONCLUSIONES
En la literatura científica se reportan diferentes coagulantes y floculantes derivados de
fuentes naturales, los cuales se están investigando continuamente como sustitutos de
los coagulantes químicos convencionales, debido a que los usos de coagulantes
sintéticos en las operaciones de tratamiento de agua están afectando el medio
ambiente. Las partes de las plantas generalmente más analizadas son semillas, a partir
de las cuales se ha extraído los agentes coagulantes activos que contienen
esencialmente polisacáridos de alto peso molecular y compuestos proteínicos usados
para la remediación de aguas residuales contaminadas con tintes, altos niveles de
turbidez, sustancias químicas, Demanda Química de Oxígeno y los iones de metales
pesados. Diversos estudios mostraron la capacidad de agentes coagulantes y
floculantes extraídos de fuentes naturales con porcentajes de eliminación de
contaminantes con hasta más del 90%.
Los mecanismos de coagulación más aplicables para coagulantes y floculantes
naturales son adsorción y neutralización de carga y adsorción y puente entre partículas
que se atribuye a la naturaleza aniónica o catiónica del agente coagulante.
Los resultados de los estudios, reportan que las diferentes fuentes naturales utilizadas
como coagulantes para remediación de agua y aguas residuales tienen un gran
potencial como alternativa de coagulantes inorgánicos, debido a su toxicidad con el
medio ambiente. Para llevar a cabo la eficacia en la actividad coagulante es necesario
tener en cuenta algunos parámetros fisicoquímicos como son principalmente dosis del
agente coagulante, concentración de contaminantes y pH. Sin embargo, gracias que
son componentes derivados de fuentes naturales no afectan tanto como lo hacen los
coagulantes inorgánicos.
102
RECOMENDACIONES
Diversidad de agentes coagulantes y floculantes naturales utilizados para el tratamiento
de muestras de aguas residuales han sido desarrollados eficientemente para remover
los parámetros de los sólidos suspendidos, turbidez, colorantes, demanda química de
oxígeno, con porcentajes de eliminación de más del 90%. Sin embargo, a pesar de la
actividad coagulante que presentan estas fuentes, no se han evaluado a escala
industrial, por lo tanto, para investigaciones posteriores se recomienda la optimización
de extracción de agentes coagulantes de fuentes naturales para el tratamiento de
aguas a escala industrial.
Los biofloculantes pueden utilizarse eficazmente para desintoxicar y eliminar los
metales tóxicos como el cromo, plomo, mercurio, cadmio, cobre y níquel de los
efluentes acuosos. Sin embargo, es poca la disposición de investigaciones de
coagulantes y floculantes naturales y modificados químicamente para la eliminación de
metales pesados en aguas residuales. Por lo tanto se sugiere la continua investigación
de coagulantes y floculantes naturales para la reducción de contaminantes tóxicos
como los iones metálicos, debido a que en países como Colombia, están ubicadas
varias industrias de curtiembres, agrícolas, textiles, y generan altas concentraciones de
soluciones acuosas cargadas de iones metálicos, las cuales son tratados con
diferentes procesos fisicoquímicos, mediante agentes coagulantes y floculantes
inorgánicos.
103
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