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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍFACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
TALLER INTEGRADOR IIIREMOCIÓN DE ARSÉNICO Y FLÚOR CON Eleocharis macrostachya EN HUMEDAL
ARTIFICIAL
SÁNCHEZ MARTÍNEZ NANCY CORAL
ASESOR: DR. RODOLFO CISNEROS ALMAZÁN CO-ASESOR: DR. GERSON SOTO PEÑA
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CONTENIDO• Introducción
• Antecedentes
• Marco teórico
• Justificación
• Objetivos
• Hipótesis
• Diseño experimental
• Análisis previos
• Resultados
• Cronograma
• Referencias 2
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INTRODUCCIÓN
3
Humedales
Artificiales
Naturales
Figura 1: Humedales artificiales www.iagua.es
Figura 2 :Humedales artificiales www.iagua.es
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INTRODUCCIÓN
4
Humedales
Artificiales
Naturales
Flujo superficial
Macrófitas flotantes
Figura 3: Macrófitas en humedaleswww.iagua.es
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INTRODUCCIÓN
5
Humedales
Artificiales
Naturales
Flujo superficial
Macrófitas sumergidas
Macrófitas flotantes
Figura 4 Macrófitas sumergidas.
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INTRODUCCIÓN
6
Humedales
Artificiales
Naturales
Flujo subsuperficial
Flujo superficial
Macrófitas sumergidas
Macrófitas flotantes
Flujo horizontal
Flujo vertical
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7
Eleocharis macrostachya
• Acuática
• Anual o perenne
• Hermafrodita
• Inflorescencia en una espiguilla solitaria
• Hojas reducidas a vainas
Absorbe altas concentraciones de arsénico
en agua residual.
Reduce arsénico a niveles aceptables con
base en la nom-001-1996.
Figura 7: planta Eleocharis macrostachya
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TOMA DE ARSÉNICO
8
Aniones a membrana superficial
Conducción metabólica
Transferencia selectiva al simplasto
Transporte
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ARSÉNICO
• METALOIDE
• Arsénico inorgánico: combinado con oxígeno, cloro y azufre
• Arsénico orgánico. Combinado con carbono e hidrógeno
9
Figura 8: Arsénico en la salud
Número atómico: 33Masa atómica: 74,92160 uSímbolo atómico: AsPunto de fusión: 817° CPunto de ebullición: 603° C
As(III)En aguas subterráneas e
hidrotermales.
As(V) En aguas superficiales y subterráneas
oxidadas.
H3AsO3 H2AsO-3+H+ = pH 7-8
Figura 13: Datos generales de Arsénico
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10
Figura 15: El paciente de la fotografía desarrolló una hiperpigmentación severa, foto Fundación del Arsénico.
Figura 14: Cáncer de piel. (Fotografía Fundación del Arsénico).
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FLÚOR
11
F9
Número Atómico: 9
Masa Atómica: 18.9984 u
Grupo: Halógenos
Figura 14: Flúor
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12
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MARCO TEÓRICO
13
Altos niveles de arsénico y flúor en 70% de los pozos de agua encuatro municipios de S.L.P., como son los municipios de San LuisPotosí, Villa de Ramos, Salinas y Santa María del Río (Ortiz, 2014).
Cuadro3: Estimación de la población mundial expuesta a As por ingesta de agua, tomado y adaptado(Neliker et al, 2008; Montoya, 2013)
País
Población
expuesta
>300 µg/L As
Población
expuesta >50
µg/L As
Población
expuesta >10
µg/L As
Bangladesh 5,000,000 25,000,000 38,000,000
India 1,000,000 6,000,000 12,000,000
Nepal ? ? 2,500,000
Taiwán 150,000 900,000 1,800,000
China 1,000,000 5,600,000 14,600,000
Vietnam 600,000 3,000,000 6,000,000
Argentina ? 270,000 ?
Chile ? 500,000 ?
México ? 400,000 ?
Estados Unidos ? 350,000 13,000,000
Hungría ? 29,000 450,000
Total ~10,000,000 ~50,000,000 ~100,000,000
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LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PARA METALES PESADOS Y CIANUROS
14
Cuadro 1: NOM-001-SEMARNAT-1996
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LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PARA FLÚOR
15
CONTINUACIÓN
Cuadro 4: límites máximos permisible para Flúor Tomado y adaptado de NOM-001-SEMARNAT-1996
PARÁMETROSEXPRESADO
COMO UNIDAD
LÍMITE MAXIMO
PERMISIBLE
Bifenilo (total)
Concentración
de PCBs totales
µg/l 0.0005policlorados/ PCBs
Fluoruro (total) F mg/l 1.5Hierro (total) Fe mg/l 1.0
Manganeso (total) Mn mg/l 0.1
Materia flotante Ausencia
Mercurio (total) Hg mg/l 0.001
Nitrato N-Nitrato mg/l 10.0
Nitrito N-Nitrito mg/l 1.0
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16
ANTECEDENTES
Se realizaron experimentos con esta planta (Eleocharismacrostachya) a nivel de laboratorio y en invernadero.(Olmos, 2015).
Se trabajó con 50 partes y hasta con 500 partespor billón, y se tuvo una eficiencia de remociónsuperior al 90%
Figura10: Eleocharis macrostachya en humedal
(Ortíz, 2010)
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SUSTRATOS
17
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18
GRAVA
Estos áridos son partículas granulares de material pétreo de tamaño variable, originado por fragmentación de las
distintas rocas de la corteza terrestre.
Figura 17: grava fragmentada
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19
ESCORIA METALÚRGICA
“Proceso de remoción de fosfatos, metales pesados y colorantes presentes en agua empleando como
adsorbentes escorias metalúrgicas de la industria del hierro” (Ramírez, 2011)».
Figura 18: Escoria metalúrgica de hierro (Ramírez, 2100)
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20
MECANISMO DE REACCIÓN DE LAS ESCORIAS METALURGICAS
1. Transferencia de adsorbato de la fase líquida externa hacia el núcleo de la solución que rodea a la partícula del adsorbente.
2. Transferencia del adsorbato a través de la película liquida hacia la superficie externa del adsorbente.
3. Difusión de adsorbato al interior de los poros del adsorbente debido al efecto del gradiente de las concentraciones.
4. Adsorción (interacción entre el adsorbato y el adsorbente).
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21
ZEOLITA Na6 (Al6Si30O72) 24H2O
“Aluminosilicatos minerales que tienen una gran capacidad de adsorción y de intercambio catiónico.”
Figura 19: Zeolita clinoptilolita
CIC 150 mmol kg-1(Haggerty y Bowman, 1994)
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22
Cuadro 2: cuadro de zeolitaProperties, and Utilization of Natural Zeolites
Figura 18: zeolita estructuraProperties, and Utilization of Natural Zeolites
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JUSTIFICACIÓN
23
Se han realizado estudios en la planta (Eleocharis macrostachya) para absorción de Arsénico pero no de Flúor y Arsénico, tampoco se han probado los sustratos referidos.
Los humedales han probado ser un eficiente medio y ambientalmente sustentable para el tratamiento de aguas residuales o de aguas provenientes de la industria.
• NOM-001-SEMARNAT-1996. Límites Máximos Permisibles de Contaminantes en las Descargas de Aguas Residuales en Agua y en Bienes
Nacionales..
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REMOCIÓN DEL ARSÉNICO Y FLÚOR EN EL AGUA
24
• Oxidación/reducción• Separación sólido- líquido• Precipitación• Adsorción e intercambio iónico• Coagulación/filtración • Absorción
(Esparza, 2004)
Figura11: Arsénico
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OBJETIVO GENERAL
Evaluar la remoción deArsénico y Flúor con
Eleocharis macrostachya
cultivada en un humedalartificial de flujosubsuperficial horizontal con3 diferentes sustratos:
• Grava
• Zeolita
• Escoria (Grasero)
25
Figura 12 Humedal artificial de flujo horizontal
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS
26
• Determinar el tiempo de residencia hidráulico (TRH) con base en el dimensionamiento del humedal.
• Cuantificar la cantidad de absorción de Arsénico y Flúor
en agua con diferentes concentraciones y sustratos.
• Evaluar la concentración de Arsénico y Flúor total en laplanta (Eleocharis macrostachya) por medio de análisisfisicoquímicos.
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HIPÓTESIS
27
La planta (Eleocharis macrostachya) desarrollada en humedales artificiales en diferentes sustratos influye para la adsorción y reducción el contenido de Arsénico y Flúor en el agua.
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METODOLOGÍA
28
Preparación de la solución
contaminante
Toma de muestra del
humedal
Adición de contaminantes
Análisis de la muestra del humedal, según el manual de análisis de
agua.
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DISEÑO EXPERIMENTAL
29
FACTOR NIVEL 1 nivel 2 nivel 3
ZEOLITA Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9
GRASERO E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
GRAVA G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9
•COMPLETAMENTE AL AZAR•3 FACTORES:
•ZEOLITA•GRASERO•GRAVA
VARIABLES
•pH•F entrada - salida•As entrada –salida•Planta•F Raíz•As Raíz
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30
ACOMODO AZAR
CAPA 1 GRANULO
METRÍA
CAPA 2 GRANULO
METRÍA
CAPA 3 GRANULO
METRÍA
ZEOLITA 10 cm 7 cm 7 cm
GRAVA 10 cm 1 in 7cm 3/8 in 7 cm
GRASERO 10 cm
Se realizarán pruebas de Normalidad, posteriormente de
hará un ANOVA, en caso se ser significativo se realizará
una prueba post-hoc deTukey.
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31
𝑸 =𝑽
𝒕→
𝟏𝒍
𝟏𝟎 𝒔= . 𝟏 𝒍/𝒔
TRH: 24 hrs(Herrera, 2014)
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Reed et al 1995
32
𝑑𝑉
𝑑𝑡= 𝑄𝑖-Qe+P-ET
𝑑𝑉
𝑑𝑡= 𝑄𝑖-Qe
𝑑𝑐
𝑑𝑡= − 𝐾𝑣, 𝑇 𝐶
𝐶𝑒
𝐶𝑜= 𝑒−𝐾𝑇 𝜗𝐻 𝜗𝐻 =
𝐿𝑊𝑃
𝑄𝑖𝑆 =
𝑄(𝐿𝑛 𝐶𝑜 − 𝐿𝑛 𝐶𝑒 )
𝐾𝑇𝑃𝑛
𝐾𝑣, 𝑇 = 𝐾𝑣, 20 𝜗𝑇−20
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ANÁLISIS PREVIOS
33
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ANÁLISIS PREVIOS
34
AGUA DE LA LLAVE
ELEMENTOS
(mgL-1)
HUMEDAL
(mgL-1)
DUREZA (Ca) 0
SILICE (SiO2) 0
Al 0
As 0.022
F 2
Mg 0
pH 8
Cuadro 3: Estudio de agua de muestra a utilizar en humedal
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35
ANÁLISIS PREVIOS
AGUA DE LA LLAVE DESIONIZADA
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36
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
DESIONIZADA LLAVE LLAVE + F LLAVE + As
Co
nce
ntr
ació
n e
n m
gL-1
Figura 4.Comportamiento del Flúor y Arsénico en Zeolita.
*
* *
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GRAVA
37
AGUA DE LA LLAVE AGUA DESIONIZADA
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38
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
DESIONIZADA LLAVE LLAVE + F LLAVE + As
Co
nce
ntr
ació
n d
e F
en
mgL
-1
Figura 5. Comportamiento del Flúor y Arsénico en grava.
* * *
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ESCORIA
39
DESIONIZADA AGUA DE LA LLAVE
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40
1.985
1.99
1.995
2
2.005
2.01
2.015
2.02
2.025
2.03
2.035
DESIONIZADA LLAVE LLAVE + F LLAVE + As
Co
nce
ntr
ació
n m
gL-1
Cuadro 6. Concentración de flúor en Escoria.
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ANÁLISIS EN EL HUMEDAL
41
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42
ZeolitaGrava
Figura 7. Cinética de remoción de Arsénico en zeolita y grava
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43
ZeolitaGrava
Figura 8. Cinética de remoción de Flúor en zeolita y grava
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44
Figura 9 . Análisis de pH en los humedales
6.6
6.8
7
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
8.4
8.6
S0 S1 S2 S3 S4 SC0 SC1 SC2
ZEOLA
GRAVA
ESCORIA
Tiempo (semanas)
pH
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PLANTA
45
Viabilidad: 100%
Cantidad de semilla: Cada espiguilla tiene aproximadamente 30
semillas, de las cuales según la prueba de viabilidad,
corresponden a un 100%.
Adaptación: Clima cálido, soporta climas fríos, sin embargo su
comportamiento no es igual, ya que su crecimiento y expansión
se ve afectado de manera directa con la temperatura.
Daños: Los que hasta la fecha el contaminante puede ocasionar
en la planta es secar la parte de la inflorescencia, sin embargo
esto se puede corregir con una solución nutritiva.
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CONCLUSIONES
46
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47
• Se encontraron diferencias significativas en las concentraciones delos metales entre el agua desionizada y el agua de la llave.
• Se logró comprobar que el sustrato influye de manera directa en laadaptación de la planta.
• La zeolita fue la que demostró mayor remoción tanto de Arsénico yFlúor.
• A la fecha se muestran resultados que nos indican que la planta estaremoviendo ambos metales.
CONCLUSIONES
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48
PERSPECTIVAS
1.- Continuar con la cinética de remoción de los metales.
2.- Analizar la concentración de metales en el sustrato y la
planta.
3.- Realizar la estadística a todos los análisis
4.-Determinar el dimensionamiento con base en los datos.
5.- Realizar una publicación.
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CRONOGRAMA
49
ACTIVIDAD
Planteamiento de problema y solución
planteamiento del título
Introducción
Marco Teórico y antecedentes
Objetivos e hipotesis
Búsqueda de asesor
Justificación
Borrador de Protocolo
Materiales y Métodos
Presentación en clase
Revisión con asesor
Presentación final
Entrega de protocolo final
Revisión bibliográfica
CRONOGRAMA TALLER I
AGO.15 SEP.15 OCT.15 NOV.15 DIC.15
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50
CRONOGRAMA TALLER INTEGRADOR II
ACTIVIDAD ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO
MATERIALES Y MÉTODOS
PRESENTACIÓN EN CLASE
REVISIÓN CON ASESOR
ACOMODO DE HUMEDAL
ANÁLISIS DE AGUA
RECEPCIÓN DE PLANTAS
ADAPTACIÓN DE LA PLANTA
ANÁLISIS PREVIOS A SUSTRATOS
TRASPLANTE
ADAPTACIÓN AL SUSTRATO
REVISIÓN DE BIBLIOGRAFÍA
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51
CRONOGRAMA TALLER INTEGRADOR III
ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO
I. Búsqueda de información
II. Plantaemiento de Metodología
III. Análisis previos a sustratos
IV. Quelación de metales pesados en sustrato
V. Adaptación de la planta
VI. Adición de solución nutritiva
VII. Estudio de los estados fenológicos en planta sin contaminantes
VII.A. Germinación
VII.B. Viabilidad
VII.C. Caracterización agroecológica
VIII. Quelación de metales en planta
Análisis de Resultados
Conclusiones
Presentación de cartel
Publicación de artículo científico
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59