REVISTA DE METALURGIA, 42 (5)SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 391-395, 2006

ISSN: 0034-8570

391

NOTA TCNICA

Estudio de eliminacin de arsnico con resinas deintercambio inico en agua potable de Zimapn, Estado de Hidalgo, Mxico*

F. Prez-Moreno**, F. Prieto-Garca***, A. Rojas-Hernndez****, Y. Marmolejo-Santilln***, E. Salinas-Rodrguez** y F. Patio-Cardona**

Resumen Se investigaron resinas de intercambio aninico con respecto a su capacidad para la elimi-nacin de arsnico contenido en agua. Se utiliz agua del pozo V de Zimapn, Hidalgo,Mxico, cuya concentracin promedio es de 480 11 gl-1 de arsnico y es utilizada paraconsumo humano. Se emplearon dos reinas aninicas fuertes; una, de tipo macro reticular(IRA-900) y la otra de tipo gel (IRA-400), as como una tercera, aninica dbil, de tipomacro reticular (IRA-96). Los experimentos realizados con estas resinas muestran que laIRA-900 es la que mostr la ms alta eficiencia en la eliminacin de arsnico del aguapotable, debido a que present una capacidad de tratamiento de 700 VaguaVres

-1, mientrasque las capacidades de las resinas IRA-400 e IRA-96 fueron de 320 y 52 VaguaVres

-1, respec-tivamente. La concentracin promedio de arsnico remanente en el agua tratada fue de 24gl-1 y est dentro del lmite mximo permisible por la norma oficial mexicana para aguapotable.

Palabras clave Agua potable. Arsnico. Eliminacin. Resinas de intercambio.

Study of arsenic removal with ionic exchange resins in drinking waterfrom Zimapn, Hidalgo State, Mexico

Abstract Anionic exchange resins were research with respect its capacity for removal arsenic con-tent in water. Water of well V from Zimapn Hidalgo Mexico was used to make this rese-arch, because this water have a mean concentration of 480 11 gL-1 of arsenic and it isavailable as drinking water. The exchange resins employed were two strong anionic, onemacroreticular (IRA-900) and other gel type (IRA-400), as soon as one third anionic weakmacroreticular type (IRA-96). The experiments carried with this resins showing that IRA-900 has highest efficient in the process of arsenic removal from drinking water, because, itshowed a treatment capacity of 700 VaguaVres

-1; while that capacities of IRA-400 e IRA-96resins were 320 and 52 VaguaVres

-1 respectively. The mean concentration of arsenic residuein the treatise water was 24 gl-1 and it is within the maximum level permissible byMexican official norm for drinking water.

Keywords Drinking water. Arsenic. Renoval. Exchange resins.

* Trabajo presentado el da 8 de diciembre de 2004 y aceptado en su forma final, el da 18 de enero de 2006.** Centro de Investigaciones en Materiales y Metalurgia. Universidad Autnoma del Estado de Hidalgo. Carr. Pachuca-Tulancingo, Km4.5 Pachuca, C.P. 42076. Hidalgo, Mxico.*** Centro de Investigaciones Qumicas. Universidad Autnoma del Estado de Hidalgo. Carr. Pachuca-Tulancingo, Km 4.5 Pachuca,C.P. 42076. Hidalgo, Mxico.**** Departamento de Qumica Analtica. Universidad Autnoma Metropolitana-Iztapalapa. Av. San Rafael Atlixco 186. Col.Vicentina, Mxico, D. F. , C.P. 09340, Mxico.

F. PREZ-MORENO, F. PRIETO-GARCA, A. ROJAS-HERNNDEZ, Y. MARMOLEJO-SANTILLN, E. SALINAS-RODRGUEZ Y F. PATIO-CARDONA

392 REV. METAL. MADRID, 42 (5), SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 391-395, 2006, ISSN: 0034-8570

1. INTRODUCCIN

El agua subterrnea de Zimapn presenta, sobre todoen los pozos profundos[1-3], contenidos altos de ars-nico que rebasan los lmites mximos permisibles dela norma oficial mexicana actual, de 25 gl-1 [4], debi-do a que es una regin donde se explotan los mine-rales PbS, CuS, Ag2S y ZnS y que, adems, se encuen-tran asociados a minerales arsenicales como la arse-nopirita (FeS2FeAs2), el rejalgar (AsS) y oropimente(As2S3), entre otros; estos ltimos, exhiben solubilida-des apreciables en solucin acuosa, que dependendel pH, del ambiente inico y de las condicionesexistentes en el suelo y subsuelo como acidez, tem-peratura, ambientes oxidantes y/o reductores[5].

La transformacin de los minerales arsenopirti-cos se debe, principalmente, a las condiciones oxi-dantes del medio ambiente que les rodea, en res-puesta natural a los cambios ambientales originadospor la explotacin de los minerales, as como al sis-tema de bombeo en la extraccin del agua subterr-nea y a la presencia de aire y agua con oxgenodisuelto que penetra al subsuelo. El equilibrio 1, esun ejemplo de la oxidacin de estos minerales quehace, tambin, que se incremente la concentracinde As(V) en sus diferentes especies en el agua, ade-ms de incrementarse las concentraciones de losiones SO4

2-, Fe2+ y H3O+. En consecuencia, tambin

habr una disminucin del pH en el agua.

2(FeS2FeAs2) + 13O2 + 10H2O(1)

4FeSO4 + 4H2AsO4- + 4H3O

+

El arsnico que se presenta en el agua est, princi-palmente, como As(V), en las formas de H2AsO4

- yHAsO4

2-, cuyas especies son menos txicas que lascorrespondientes al As(III) y, adems, han sido estu-diadas anteriormente por otros investigadores[1, 3 y 6-9].

El presente trabajo se propone como objetivocomparar la eficiencia de eliminacin de arsnicocontenido en el agua subterrnea extrada del pozoV de Zimapn, Hidalgo, la cual es utilizada comoagua potable por la poblacin de la localidad. Seutilizaron tres tipos de resinas de intercambio ani-nico, dos aninicas fuertes (IRA-900, IRA-400) y unaaninica dbil (IRA-96).

2. MATERIALES Y MTODOS

2.1. Materiales

2.1.1. Agua tratada

El agua del pozo V de Zimapn, Hidalgo, se utilizpara realizar el presente estudio y present una con-

centracin promedio de arsnico total de 480 11gl-1.

2.1.2. Intercambiadores inicos utilizados

Se utilizaron dos resinas aninicas bsicas fuertes,una de tipo macro reticular (IRA-900) con grupofuncional NH4

+ de la marca Sigma, con un tamaode partcula que vara de 300-991 m y, la otra, detipo gel (IRA-400) con matriz de estireno divinilben-ceno con el mismo grupo funcional y de la marcaFluka, con un rango en el tamao de partcula com-prendido entre 400 y 500 m. Se us una terceraresina aninica, dbilmente bsica, de tipo macrore-ticular (IRA-96) con matriz activa de poliamina de lamarca Fluka con tamao de partcula comprendidoentre 300 y 833 m.

2.1.3. Reactivos y soluciones utilizados

Solucin estndar de arsnico 1.000,4 mgl-1 de lamarca Solutions Plus, Inc.; borohidruro de sodio(NaBH4) al 0,5%, estabilizado con NaOH al 0,05%como agente reductor y HCl 6 M.

2.2. Mtodos

2.2.1. Pre-tratamiento de losIntercambiadores inicos

Las resinas fueron rehidratadas en un vaso de preci-pitados con agua destilada y, posteriormente, seactivaron con solucin de NaCl al 4 %. Ambos pro-cesos se realizaron con agitacin continua durante20 min y, seguidamente, se lavaron con agua desio-nizada, repitindose tres veces estas operacionesantes de realizar el proceso de intercambio.

2.2.2. Condiciones de operacin en elacondicionamiento de las resinas

Una vez activadas las resinas, se colocaron 25 ml decada una de ellas en una bureta de 50 ml que actua-ba como columna cromatogrfica; se les hizo pasar100 ml de solucin de NaCl al 4%, dejando drenar lacolumna a un flujo de 2-3 mlmin-1, quedando, deesta forma, perfectamente activadas y listas para serutilizadas.

2.2.3. Condiciones de operacin en laeliminacin de arsnico

A las resinas activadas se les hizo pasar agua delpozo V de Zimapn, a un flujo de 2-3 mlmin1, atemperatura ambiente.

ESTUDIO DE ELIMINACIN DE ARSNICO CON RESINAS DE INTERCAMBIO INICO EN AGUA POTABLE DE ZIMAPN, ESTADO DE HIDALGOSTUDY OF ARSENIC REMOVAL WITH IONIC EXCHANGE RESINS IN DRINKING WATER FROM ZIMAPN, HIDALGO STATE, MEXICO

REV. METAL. MADRID, 42 (5), SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 391-395, 2006, ISSN: 0034-8570 393

2.2.4. Coleccin de fracciones

Se recogieron fracciones de 50 ml (2 VaguaVres1) de

agua, desechando la fraccin impar y analizando lapar en forma consecutiva, es decir, cada fraccinanalizada equivale a 100 mL de agua del pozo V tra-tada (4 VaguaVres

1).

2.2.5. Regeneracin de resinas deintercambio inico

Cuando las resinas IRA-900 e IRA-400 agotaron sucapacidad de retencin de arsnico (eficienciamenor a 85%), fueron lavadas con agua normal acontraflujo y con aire, parando el flujo de aguacuando la resina se expandi al doble, y se dejlavando 20 min nicamente con aire; posteriormen-te, se detuvo el flujo de aire y se le hizo pasar agualentamente, desechando el material residual por laparte superior de la columna. Esta operacin se rea-liz dos veces, se dej sedimentar la resina y, por laparte superior, se le hizo pasar 100 ml de solucinde NaCl al 4%, a un flujo de 2-3 mlmin1. De estaforma, la resina quedo completamente regenerada ylista para ser reutilizada.

2.2.6. Determinacin de la concentracin dearsnico

La determinacin del arsnico en las fracciones delagua tratada se realiz con la tcnica de espectrofo-tometra de absorcin atmica con generacin dehidruros, para lo cual se utiliz un espectrofotme-tro de absorcin atmica marca Varian, modeloSpectr AA 880, con lmpara de ctodo hueco delmismo elemento a una intensidad de corriente de 10mA y longitud de onda de 193,7 nm, con llama deaire-acetileno optimizada y utilizando N2 de altapureza como gas acarreador, previa prereduccin dela muestra con solucin de KI y cido ascrbico al5% en medio clorhdrico[10], para asegurar la reduc-cin total del As(V) a As(III).

2.2.7. Condiciones de anlisis

La muestra prereducida, el borohidruro y el cidoclorhdrico fueron introducidos en linea a flujo con-tino; para la muestra se utiliz un flujo de 8,0mlmin-1, mientras que para las soluciones de boro-hidruro y cido clorhdrico el flujo que se emplefue de 1,0 mlmin-1.

2.2.8. Determinacin de la concentracin delarsnico

La concentracin de arsnico en las muestras anali-zadas se determin utilizando la frmula:

(2)

donde, Cr es la concentracin real de arsnico en lafraccin analizada en gl-1.

Cl es la concentracin de arsnico leida por elequipo previamente calibrado en gl-1.

Vaf es el volumen en el que se afor inicialmentela muestra, en ml.

Fd es el factor de dilucin de la muestra leida enel equipo (valor adimencional).

Vm es el volumen de muestra que se tom para elanlisis, en ml.

2.2.9. Determinacin de arsnico retenido enel proceso de intercambio

El arsnico retenido por las resinas utilizadas en elproceso de eliminacin de arsnico del agua potablese determin utilizando la frmula:

(3)

donde, % R es el porcentaje de retencin de As porlas resinas en cada fraccin de agua colectada des-pus del intercambio.

Cfe es la concentracin de arsnico en la fraccineluida, en gl-1

Cmi es la concentracin de As en la muestra ini-cial en gl-1

Cuando el %R disminuye paulatinamente a valo-res menores de 80%, se considera un agotamientode la capacidad de retencin de la resina, por lo quese detendr el proceso de eliminacin de arsnico yse iniciar el lavado y la regeneracin del materialintercambiador hasta dejarla lista para realizar unnuevo proceso de intercambio.

3. RESULTADOS Y DISCUSIN

La eficiencia de las resinas en el proceso de elimina-cin de arsnico contenido en agua del pozo V deZimapn, Hidalgo, fue variable. Sin embargo, la resi-na macro reticular aninica fuerte IRA-900 presentla ms alta eficiencia de tratamiento en este proceso.Con esta resina se trataron 700 VaguaVres

1 es decir

(Cmi Cfe)% R = x 100Vm

(Cl x Vaf x Fd)Cr = Vm

F. PREZ-MORENO, F. PRIETO-GARCA, A. ROJAS-HERNNDEZ, Y. MARMOLEJO-SANTILLN, E. SALINAS-RODRGUEZ Y F. PATIO-CARDONA

394 REV. METAL. MADRID, 42 (5), SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 391-395, 2006, ISSN: 0034-8570

25 ml de resina lograron tratar 17,5 l de agua,logrando disminuir la concentracin promedio dearsnico en el agua desde 480 gl-1 hasta 24 gl1,antes de que se pueda observar la disminucin ensu capacidad de retencin de arsnico, como semuestra en la figura 1.

Por otra parte, la resina aninica fuerte de tipogel IRA-400 present una capacidad de tratamientode 320 VaguaVres

1, logrando tratar 8,0 l de agua conlas mismas condiciones de operacin, por lo queesta resina presenta, aproximadamente, el 50% deeficiencia con respecto a la resina IRA-900.

Por su parte, la resina macro reticular aninicadbil IRA-96 present una capacidad de tratamientode 52 VaguaVres

1, que corresponde a 1,3 l de aguatratada, esta capacidad de retencin es la ms bajade las tres resinas utilizadas para este estudio, comose muestra en la figura 2.

El proceso de eliminacin de arsnico se repiticon las resinas IRA-900 e IRA-400, despus de questas se regeneraron, obteniendo resultados simila-res que confirman las capacidades de estas resinaspara eliminar arsnico de agua potable, lo cual semuestra en la figura 3.

La capacidad terica de intercambio aninicopara la resina IRA-900, segn el fabricante es de1,0meqml1 [11]; sin embargo, su capacidad real deretencin de arsnico, calculada en forma deHAsO4

2 fue de 0,6 meqml1 de resina, como conse-cuencia de la competencia que tienen los iones arse-niatos con otros iones como CO3

2, PO43 y SO4

2 enel proceso de intercambio[12], lo que hace que lacapacidad de sta disminuya.

4. CONCLUSIONES

De las resinas aninicas que se ensayaron, la quepresent mayor capacidad de retencin de arsnicofue la IRA-900, ya que un volumen de 25 ml de resi-na IRA-900 logr el tratamiento de 17,0 l (700VaguaVres

1) de agua con un flujo de 2-3 mlmin1, atemperatura ambiente.

A pesar de que la capacidad real de eliminacinde arsnico con la resina IRA-900 es menor que lareflejada en la literatura, puede utilizarse para reali-zar estudios a nivel de planta piloto y/o aplicarladirectamente a una planta purificadora para la elimi-nacin de arsnico.

Los tres tipos de resina aninica utilizados logranreducir los niveles de arsnico(V) contenidos en elagua de Zimapn de 480 gl-1 antes del tratamiento,a valores menores de 25 gl-1 despus del trata-miento, con eficiencias diferentes para cada resina.

Agradecimientos

Los autores agradecen a las autoridades munici-pales de Zimapn, Hidalgo, Mxico, el apoyo otor-gado en el muestreo del agua de esta localidad, elapoyo econmico otorgado por SIZA-CONACYT,que financi el proyecto cuya clave es SIZA-CONA-CYT/98/ 19980806018 y a la Universidad Autnomadel Estado de Hidalgo donde se realiz el trabajoexperimental.

Figura 1. Porcentaje de arsnico retenido en las resinasaninicas fuertes: IRA-900 macro reticular _____ e IRA-400de tipo gel _ _ _ _. Una fraccin corresponde a 100 ml deagua tratada.

Figure 1. Arsenic percentage fixed in strong anionic resinsIRA-900 macroreticular ______ and IRA-400 gel type _ _ __. Each fraction is 100 mL of treated water.

0

20

40

60

80

100

1 26 51 76 101 126 151 176

Fracciones analizadas

%A

sre

ten

ido

Figura 2. Porcentaje de arsnico retenido por la resinaaninica dbil IRA-96 macro reticular _____ Una fraccincorresponde a 100 mL de agua tratada.

Figure 2. Arsenic percentage fixed in weak anionic resinIRA-96 gel type ______ . Each fraction is100 ml of treatedwater.

0

20

40

60

80

100

1 26 51 76 101 126 151 176

Fracciones analizadas

%A

sre

ten

ido

ESTUDIO DE ELIMINACIN DE ARSNICO CON RESINAS DE INTERCAMBIO INICO EN AGUA POTABLE DE ZIMAPN, ESTADO DE HIDALGOSTUDY OF ARSENIC REMOVAL WITH IONIC EXCHANGE RESINS IN DRINKING WATER FROM ZIMAPN, HIDALGO STATE, MEXICO

REV. METAL. MADRID, 42 (5), SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 391-395, 2006, ISSN: 0034-8570 395

REFERENCIAS

[1] M.A. ARMIENTA, R. RODRGUEZ, A. AGUA-YO, N. CENICEROS, G. VILLASEOR Y O.CRUZ, Hydrogeology J. 5 (1997) 39-46.

[2] F. PREZ, F. PRIETO, A. ROJAS, C. A. GALN,Y. MARMOLEJO, C. ROMO, A. CASTAEDA, J.A. RODRGUEZ Y E. E. BARRADO, Hidrobio-lgica 13 (2003) 95-102.

[3] F. PREZ, Tesis Doctoral, Instituto de CienciasBsicas e Ingeniera, Universidad Autnomadel Estado de Hidalgo, Mxico, 2004.

[4] C. JUSTO (Ed). Diario Oficial de la Federacin,Mxico. 166(15), 2000, pp. 73-79

[5] R. F. MARTN, Tesis de Maestra, Instituto deGeologa, Universidad Nacional Autnoma deMxico, 2000

[6] M. P. ELIZALDE-GONZLEZ, J. MATTUSCH YR. WENNRICH. J. Environ. Monit. 3 (2001) 22-26.

[7] T. R. HARPER Y N. W. KINHAM, Water En-viron. Res. 64 (1992) 200-203.

[8] M. J HEMMINGS, Y E. A. JONES, Talanta 38(1991) 151-155.

[9] A. S. WASAY, J. HARON, A. UCHIUMI Y S.TOKUNAGA, Water Res. 30 (1996) 1.143-1.148.

[10] L. DAVIDOWSKI, Perkin Elmer 67 (1993) 1-7.[11] ROHM Y HASS (Ed). Technical bulletin of

Rohm and Hass Company, EUA. IE-10066/81(1982), pp. 2.

[12] F. G. A. VAGLIASINDI Y M. M. BENJAMN,Wat. Sci. Technol. 38 (1998) 327-343.

Figura 3. Porcentaje de arsnico retenido en las resinasaninicas fuertes regeneradas: IRA-900 macro reticular_____ e IRA-400 de tipo gel _ _ _ _. Una fraccin corres-ponde a 100 ml de agua tratada.

Figure 3. Arsenic percentage fixed in regenerated stronganionic resins IRA-900 macroreticular ______ e IRA-400 geltype _ _ _ _. Each fraction is 100 ml of treated water.

0

20

40

60

80

100

Fracciones analizadas

%A

sre

ten

ido

1 26 51 76 101 126 151 176