118486912 libro quimica ambiental
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INTRODUCCION
Cualquier persona que haya tenido la oportunidad de observar una pequea
fraccin de las maravillas naturales de nuestro planeta estar de acuerdo en
que vivimos en un mundo maravilloso. La majestuosidad de muestras
montaas, ros, lagos y todos los recursos naturales de nuestro pas son una
muestra fehaciente de ello.
Desafortunadamente estos recursos estn siendo amenazados por un
amplio rango de actividades humanas. En un esfuerzo por aumentar la
produccin agrcola en tiempos cortos, muchas tierras han sido cultivadas
inadecuadamente dando lugar a una erosin extrema que amenaza estas
zonas cultivables. Muchos habitantes de grandes ciudades estn de
acuerdo en el que respirar un aire puro es una comodidad muy rara en
estos lugares. En reas industrializadas las aguas subterrneas usadas
como fuentes de agua para consumo estn siendo amenazadas por el
movimiento de lixiviados y de desechos a travs de los acuferos. La
proteccin de nuestro ambiente debe ser alta prioridad porque de ella
depende la preservacin de la humanidad.
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Para poder combatir las amenazas a nuestro ambiente, es necesario
entender la naturaleza y la magnitud de los problemas involucrados.
Para poder discutir estos problemas es esencial, reconocer que la ciencia y
la tecnologa deben realizar un papel muy importante en la solucin de
problemas ambientales, a travs de una adecuada aplicacin de la ciencia y
la tecnologa. Bajo la direccin de gente con una conciencia ambiental bien
fuerte y con un conocimiento bsico de las ciencias ambientales, la
humanidad sobrevivir con los recursos limitados de este planeta.
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1. QUIMICA AMBIENTAL
La Qumica Ambiental es el estudio de las fuentes, reacciones, transporte,
efecto y destinos de las especies qumicas en el agua, el aire y suelo como
tambin de la influencia de la actividad humana sobre estos procesos. En
resumen : La Qumica Ambiental es la ciencia de los fenmenos qumicos
en el ambiente.
1.1. AGUA, AIRE SUELO Y VIDA
Es conveniente dividir la Qumica Ambiental en reas que involucren la
qumica de la hidrosfera, la litosfera, la atmsfera y la biosfera. (Figura 1)
La HIDROSFERA se refiere al agua en todas sus formas incluye los ocanos, lagos, ros, reservorios, nevados, glaciares, capas de hielo polares
y aguas subterrneas. Para el estudio de la Qumica Ambiental, sin
embargo el agua en estado lquido y las reacciones de las especies
qumicas en ella son de gran importancia.
La LITOSFERA incluye las partes externas de la tierra slida en general. El trmino se refiere a los materiales encontrados en la corteza terrestre y a
la mezcla compleja y variable de minerales, materia orgnica, agua y aire
presente en el suelo. Esta parte es extremadamente delgada comparada con
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la tierra, con una amplitud de 5 - 40 Km. En lo que concierne a la Qumica
Ambiental, el suelo es la parte ms significativa de la litosfera.
La ATMOSFERA es la cubierta de gases alrededor de la tierra. La atmsfera se subdivide en diferentes regiones dependiendo de la altitud. La
Qumica Atmosfrica vara en gran proporcin con la altitud, la exposicin
a la radiacin solar, la carga poluente y otros factores.
El trmino BIOSFERA se refiere a la vida. Incluye organismos vivos y sus alrededores inmediatos. La biosfera est influenciada enormemente por la
qumica del ambiente y en su turno ejerce una influencia poderosa sobre la
qumica de muchos ambientes especialmente la litosfera e hidrosfera.
La actividad biolgica es responsable de la composicin presente en la
atmsfera (especialmente alto OD y bajo CO2) y las plantas an influyen
sobre la atmsfera por ejemplo emitiendo terpenos los cuales forman una
clase de smog.
FIGURA 1. Areas de la Qumica Ambiental
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ATMOSFERA
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2. QUIMIODINAMICA O DINAMICA QUIMICA
Si un compuesto qumico es introducido en el ambiente, existe una cierta
probabilidad de que pueda moverse del sitio donde fue liberado. La
distribucin de algunos qumicos puede ser global en extensin. Esto
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QUIMICAAMBIENTAL
HIDROSFERA
BIOSFERA LITOSFERA
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podra dar lugar a su distribucin sobre una amplia zona geogrfica o
podr involucrar su habilidad de moverse en el ambiente. Es posible que
los problemas asociados con la distribucin de los qumicos en el ambiente
puedan ser evitados o al menos minimizados si las propiedades
quimiodinmicas de cada compuesto fueran bien conocidas y entendidas
cuando el compuesto fue introducido por primera vez. Sin embargo
habiendo encarado ya el problema, se encuentra el incentivo para subrayar
los conceptos y obtener la informacin necesaria para definir el fenmeno.
Tal ejercicio suministrar un entendimiento de las situaciones presentes y
dar las bases para hacer predicciones las cuales eliminarn problemas
futuros. Las diferentes rutas se muestran en la figura 2.
Primero que todo, ellos pueden moverse en cada seccin; por ejemplo un
qumico introducido en un ambiente acutico puede moverse a la
extensin que el agua se est moviendo, ya sea que el qumico se halle en
solucin o no, o se halle adsorbido sobre una partcula.
FIGURA 2. Proceso por el cual los compuestos son distribuidosen el ambiente
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INTRODUCCION DE QUIMICOS
ATMOSFERA
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Este tipo de movimiento en el agua puede ser definido por los parmetros
hidrolgicos apropiados. El qumico puede tambin encontrar un camino
en la atmsfera donde puede ser transportado en las corrientes
atmosfricas y en esta situacin los fenmenos metereolgicos pueden
determinar la velocidad y direccin del movimiento. Una situacin similar
prevalece en la seccin biolgica, donde la distribucin de un qumico en
un animal o planta depende del proceso de transporte en el organismo. En
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SUELO AGUA
PlantasAnimales
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un animal podra ser el sistema vascular, en una planta depender del
transporte de savia.
En un contexto global, el transporte de un qumico en un ecosistema debe
tener alguna relacin con el flujo de masa en el sistema, puesto que el
qumico se mueve con los constituyentes alimenticios de varios
componentes en el ecosistema.
El movimiento de un qumico en el suelo es algo diferente de los ejemplos
citados anteriormente. En el suelo el movimiento del qumico est
acompaado principalmente por un proceso de difusin o transporte de
masa. Las partculas del suelo por ellas mismas pueden moverse en el aire
o en el ambiente acuosos y absorber partculas con ellas; en los ltimos
casos, este movimiento ser una funcin de estos factores que gobiernan el
movimiento en el aire o en agua. En estas situaciones el qumico se est
moviendo a una seccin, el movimiento es principalmente una funcin de
las caractersticas de los procesos de transporte de la seccin. El efecto de
las caractersticas del qumico que es transportado son mnimas.
Cuando se est interesado en la tendencia de un qumico a moverse entre
secciones, el papel de las propiedades qumicas del material llega a ser
ms significativa. Los parmetros determinantes son los factores
termodinmicos y cinticos relacionados con las transformaciones.
En sistemas naturales, no se trata con sistemas en equilibrio
verdaderamente reversibles, sin embargo, el asumir un equilibrio puede
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suministrar alguna indicacin de la tendencia de una transformacin en
particular entre secciones.
Si consideramos varias interfases se pueden enumerar las propiedades del
qumico que en definitiva van a definir su movimiento entre estas
secciones.
2.1. INTERFASES
AGUA - AIRE Esta interfase se relaciona con la presin de vapor del
compuesto y su solubilidad en el agua.
AGUA - SUELO El movimiento de un qumico a travs de esta
interfase es principalmente el proceso de adsorcin -
desorcin, involucra la solubilidad del qumico en el
agua y los factores que influyen su adsorcin sobre la
fase slida. La solubilidad, el coeficiente de particin y
los calores de solucin llegan a ser significativos en
esta parte.
SUELO - AIRE Este es probablemente el sistema ms complejo en que
se relaciona tanto la adsorcin del qumico sobre la
superficie del suelo, su presin de vapor, la influencia
del agua y tambin el efecto del movimiento del
qumico en la interfase aire - suelo.
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FISICA - Esta interfase es distinta de las otras tres en que se
BIOLOGICA relaciona con el movimiento de un qumico a travs de
una membrana; un proceso de adsorcin en contraste a
una situacin de adsorcin superficial.
Esta discusin nos lleva a concluir que el movimiento de un qumico en el
ambiente debe considerar los siguientes tpicos:
Adsorcin Interfase Suelo - Agua
Movimiento a travs del suelo
Evaporacin Interfase Aire - Agua
Absorcin
Con el nfasis primordial de la definicin de como las propiedades del
qumico estn involucradas en estos procesos diferentes. El siguiente
planteamiento se usa para discutir cada tpico:
1. Cada proceso debe ser definido lo ms concienzudamente posible.
2. Las propiedades del qumico que determinan su respuesta es esos
procesos deben ser enfatizadas.
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3. El significado global de estos factores en la distribucin ambiental de los
qumicos debe ser evaluado.
En conclusin: El objetivo primario es predecir la distribucin de un
compuesto en el ambiente basado sobre sus propiedades qumicas. Este
tratamiento se ha denominado QUIMIODINAMICA.
3. AGUA : CALIDAD, CANTIDAD Y QUIMICA
A lo largo de la historia, la calidad y la cantidad de agua disponible para
los humanos han sido factores de vital importancia para determinar su uso.
Muchas civilizaciones han desaparecido por falta de agua resultante de
cambios climticos, cuyas variaciones y precipitaciones han causado
problemas. En el Africa de la dcada de los 80s fuertes sequas trajeron
consigo cosechas catastrficas y desolacin. En 1993 en los Estados
Unidos lluvias extensas entre los ros Misouri y Misissipi causaron daos
en gran escala.
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En el pasado la enfermedades de origen hdrico como el clera y la fiebre
Tifoidea mataron millones de personas. Algunas de estas enfermedades
an causan una gran miseria en pases menos desarrollados.
La Qumica Acutica es la rama de la Qumica Ambiental que trata los
fenmenos qumicos en el agua; puede considerar las aguas subterrneas y
agua de ros, lagos, estuarios, ocanos, como tambin los fenmenos que
determinan la distribucin y circulacin de las especies qumicas en aguas
naturales. Las reacciones qumicas que ocurren en el agua y las especies
qumicas encontradas en ella son fuertemente influenciadas por el ambiente
en el cual el agua se encuentra. La Qumica del agua expuesta a la
atmsfera es bastante diferente del agua en el fondo de un lago, los
microorganismos juegan un papel esencial en la determinacin de la
composicin qumica del agua. Luego, al discutir la Qumica del agua, es
necesario considerar muchos factores generales que influyen en su
qumica.
3.1. FUENTES Y USOS DEL AGUA : CICLO HIDROLOGICO
El suministro de agua del mundo es encontrado en las cinco partes del
Ciclo Hidrolgico (Figura 3). Una gran proporcin del agua es encontrada
en los ocanos; otra fraccin est presente como vapor de agua en la
atmsfera (nube); y algn agua est contenida en el estado slido como
hielo y nieve en pramos, glaciares y en capas de hielos polares. El agua
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superficial se encuentra en lagos, corrientes, reservorios y las aguas
subterrneas localizadas en acuferos bajo tierra.
Existe una conexin muy fuerte entre la Hidrosfera, donde el agua se encuentra y la Litosfera, la cual es la parte de la Geosfera accesible al agua. Las actividades humanas afectan a ambas partes. Por ejemplo, la
FIGURA 3. Ciclo Hidrolgico.
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alteracin de la tierra para la conversin de un terreno o bosque para la
agricultura o para intensificacin de la produccin agrcola puede reducir la
capa vegetal, disminuir la transpiracin (prdida de vapor de agua por las
plantas) y afectar el microclima.
El resultado es el aumento de lluvias, escorrenta, erosin y acumulacin
de las sales en cuerpos de agua. El ciclo de los nutrientes puede ser
acelerado, contribuyendo al enriquecimiento de nutrientes de las aguas
superficiales. Esto sin duda puede afectar profundamente las
caractersticas biolgicas de cuerpos de agua.
El agua que los humanos usamos proviene de aguas superficiales y
subterrneas cuyas fuentes pueden variar sustancialmente una de otra. En
regiones ridas una pequea fraccin de suministro de agua proviene del
ocano, fuente que llegar a ser ms importante como suministro de agua
en el mundo debido a la demanda.
3.2. LAS PROPIEDADES DE AGUA, UNA SUSTANCIA UNICA
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El agua tiene un nmero de propiedades nicas que son esenciales para
vivir, muchas de las cuales son debidas a su habilidad para formar puentes
de hidrgeno, estas caractersticas estn asumidas en la tabla No.1.
TABLA No. 1. ALGUNAS PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DEL AGUA Y SU SIGNIFICADO BIOLOGICO AMBIENTAL
PROPIEDADCOMPARACION CON LIQUIDOS
NORMALESSIGNIFICADO
Estado
Capacidad Calorfica
Calor de fusin Latente
Calor de Vaporizacin Latente
Densidad
Tensin Superficial
Constante Dielctrica
Hidratacin
Disociacin
Lquido preferible que gas
Muy alta
Muy alto
Muy alto
Mxima a 4 C (Agua pura)
Muy alta
Muy alta
Muy extensa
Muy pequea
Suministra vida media
Modera las temperaturas ambientales, gran medio de transporte de calor
Efecto moderado tiende a estabilizar el estado lquido
Efecto moderado importante en la Fsica Atmosfrica y en el balance Precipitacin - Evaporacin
Congelamiento desde la superficie y controla la distribucin de temperatura y circulacin en cuerpos de agua
Importante en fenmenos de superficie, formacin de gotas en la atmsfera y muchos procesos fisiolgicos incluyendo el transporte a travs de biomembranas
Buen solvente
Buen solvente y movilizador de poluentes en el ambiente, altera la bioqumica de solutos
Suministra un medio neutro pero con alguna disponibilidad de iones H+ y OH-
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Transparencia
Calor de Conduccin
Alta
Muy alto
Engrosa la zona Euftica biolgicamente productiva
Puede suministrar importantes mecanismos de trasferencia de calor en sistemas estancados como clulas
El agua es un excelente solvente para muchos materiales; este es el medio
de transporte bsico para nutrientes y productos de desecho en el proceso
de la vida. Su constante dielctrica extremadamente alta en relacin con
otros lquidos tiene un efecto muy profundo sobre sus propiedades como
solvente, ya que muchos materiales inicos se disocian en ella. Con
excepcin del amonaco lquido, el agua posee la capacidad calorfica ms
alta que cualquier otro lquido o slido, 1 cal/grado. Debido a esto, se
requiere una gran cantidad de calor para cambiar apreciablemente la
temperatura de una masa de agua. Adems, un cuerpo de agua puede traer
un efecto estabilizante sobre la temperatura de regiones geogrficas
cercanas. Esta propiedad previene tambin los cambios bruscos de
temperatura en cuerpos de agua y protege los organismos acuticos de
choques abruptos de temperatura. El calor extremo de vaporizaacin del
agua, 585 cal/g a 20 C, tambin estabiliza la temperatura de cuerpos en las
regiones geogrficas circundantes. Esto tambin influye en la transferencia
de calor y vapor de agua entre los cuerpos de agua y la atmsfera. El agua
tiene su mxima densidad a 4 C, a una temperatura por encima de su
punto de congelacin. La afortunada consecuencia de este hecho es que el
hielo flota, de tal manera que gran cantidad de cuerpos de agua pueden
congelarse. Adems, el patrn de circulacin vertical en lagos, un factor
determinante en su qumica y biologa, es gobernado por la relacin
densidad - temperatura, nica en el agua.
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4. FUNDAMENTOS DE QUIMICA ACUATICA
Los fenmenos Qumicos Ambientales Acuticos involucran procesos que
incluyen reacciones cido - bsicas, solubilidad, oxidaccin - reduccin y
de complejos (grfica 1). Estos fenmenos son discutidos desde el punto
de vista termodinmico usual, pero es importante tener en cuenta que la
cintica (velocidad de reaccin) es muy importante en la qumica del agua.
Los procesos biolgicos juegan un papel importante en la qumica
acutica. Por ejemplo, las algas en su proceso fotosinttico pueden elevar
al pH del agua removiendo el CO2 (acuoso) y convirtiendo el in HCO3- en
el in CO3= el cual reacciona con el Ca para precipitar CaCO3.
4.1. ALCALINIDAD
La capacidad del agua de aceptar iones H+ (protones) se denomina
Alcalinidad. La alcalinidad es importante en el tratamiento del agua y en la qumica y biologa de las aguas naturales. Frecuentemente, la
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alcalinidad del agua debe ser conocida para calcular la cantidad de
qumicos que deben ser adicionados para tratar el agua.
Un agua con alta alcalinidad a menudo tiene un alto valor de pH y contiene
generalmente alto contenido de slidos disueltos. Esta caracterstica es
contraproducente para agua que va ser utilizada en calderas,
procesamiento de alimentos y sistemas de aguas municipales.
La alcalinidad sirve como buffer de pH y un reservorio para carbono
inorgnico, luego ayuda a determinar la habilidad del agua para soportar el
crecimiento de algas y otras vidas acuticas, luego puede ser usado como
una medida de la fertilidad del agua. Generalmente, las especies
responsables de la alcalinidad en el agua son el in bicarbonato (HCO3-), el
in carbonato (CO3=) y el in hidroxilo (OH-)
HCO3- + H+ CO2 + H2O
CO3= + H+ HCO3-
OH- + H+ H2O
Otras bases contribuyen en menor proporcin a la alcalinidad como el
amonaco y las bases conjugadas de los cidos fosfrico, silcico, brico y
cidos orgnicos.
A valores de pH por debajo de 7.0 unidades, la [H+] disminuye la
alcalinidad y su concentracin debe ser sustrada de la alcalinidad total.
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Adems la siguiente ecuacin es la ecuacin completa para la alcalinidad
en un medio donde la contribucin es de HCO3-, CO3= y OH-:
[Alcalinidad] = [HCO3-] + 2 [CO3=] + [OH-] - [H+]
La alcalinidad es expresada generalmente como Alcalinidad a la Fenolftalena, correspondiente a la titulacin con cido a un pH al cual el HCO3- es la especie carbonatada predominante (pH = 8,3), o Alcalinidad Total, correspondiente a la titulacin con cido al punto del indicador de naranja de metilo (pH = 4,3) donde la especies carbonato y bicarbonato
han sido convertidas a CO2.
Es importante distinguir entre alta basicidad, manifestada por un elevado
valor de pH y una alta alcalinidad, la capacidad de aceptar H+, mientras el
pH es un factor de intensidad, la alcalinidad es un factor de capacidad.
4.2. ACIDEZ Y DIOXIDO DE CARBONO EN EL AGUA
La acidez aplicada a las aguas naturales y aguas residuales, es la capacidad
del agua de neutralizar OH-, aunque virtualmente toda agua tiene algo de
alcalinidad, el agua cida no es frecuentemente encontrada excepto en
casos de contaminacin severa. La acidez generalmente resulta de la
presencia de cidos dbiles, particularmente CO2, pero algunas veces
incluye otros tales como H3PO4, H2S, protenas y cidos grasos. El Fe+3,
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in metlico acdico puede contribuir tambin a la acidez, al igual que
iones metlicos hidratados como el Al(H2O)6+3.
Desde el punto de vista de la contaminacin, los cidos fuertes son los
principales contribuyentes de la acidez. El trmino Acidez Mineral Libre es aplicado a cidos fuertes como el H2SO4 y el HCl en el agua.
El agua residual de minas de carbn es un poluente comn del agua que
contiene una apreciable cantidad de acidez mineral libre. La acidez total
es determinada por titulacin con base al punto de la fenolftalena
(pH = 8,3) y la acidez mineral libre es determinada por titulacin con base
al punto de cambio de la naranja de metilo (pH = 4,3).
4.2.1. DIOXIDO DE CARBONO EN EL AGUA
El ms importante cido dbil en el agua es el dixido de carbono, CO2.
Debido a su presencia en el aire y su produccin en la degradacin de la
materia orgnica, el CO2 disuelto se halla presente en todas las aguas
naturales y residuales. La lluvia de una atmsfera no contaminada es
altamente cida debido a la presencia de CO2 disuelto. El CO2 y sus
productos de ionizacin, el in bicarbonato (HCO3-) y el in carbonato
(CO3=) tiene una gran importancia en la qumica del agua. Muchos
minerales son depositados como sales del in carbonato.
El equilibrio del CO2 disuelto con el CO2 gaseoso en la atmsfera:
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CO2 (acuoso) CO2 (atmosfrico)
y el equilibrio del in CO3= entre la solucin acutica y minerales
carbonatados slidos:
MCO3 M+2 + CO3=
tiene un fuerte efecto amortiguador sobre el pH del agua.
4.3. CALCIO Y OTROS METALES EN EL AGUA
Los iones metlicos M+ existen en el agua en numerosas formas. El in
metlico Ca+2 por ejemplo, no puede existir como una entidad separada en
el agua. Para asegurar su estabilidad mxima en sus orbitales electrnicos,
los iones metlicos en el agua son enlazados o coordinados a otras
especies. Estas especies pueden ser molculas de agua o bases fuertes que
se hallan presentes. Adems, los iones metlicos en solucin acuosa
pueden estar presentes como formas de cationes metlicos hidratados
M(H2O)x+n.
Los iones metlicos en solucin acuosa buscan alcanzar un estado de
mxima estabilidad a travs de reacciones qumicas que incluyen:
Acidos y Bases
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Fe (H2O)6+3 Fe (OH) (H2O)5+2 + H+
Precipitacin
Fe (H2O)6+3 Fe (OH)3(s) + 3 H2O + 3 H+
Oxido - Reduccin
Fe (H2O)6+2 Fe (OH)3(s) + 3 H2O + e- + 3 H+
4.3.1. CALCIO EN EL AGUA
De los cationes que se encuentran en las aguas naturales, el calcio
generalmente presenta la concentracin ms alta.
La qumica del calcio, aunque un poco complicada es ms simple que la de
los metales de transicin encontrados en el agua. El calcio es un
elemento clave en muchos procesos geoqumicos. La fuente primaria de
in calcio en el agua la constituyen los minerales, entre estos minerales se
encuentra el CaSO42H2O, CaSO4, dolomita CaMg(CO3)2, la calcita y
aragonita.
El in calcio, junto con el manganeso y a veces el in hierro (II), aportan la
dureza del agua. La manifestacin ms comn de dureza en el agua es la
formacin de precipitado por jabn en aguas duras. La dureza temporal es
debida a la presencia de calcio y in bicarbonato y puede ser eliminada por
ebullicin del agua,
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Ca+2 + 2 HCO3- CaCO3 (S) + CO2 (g) + H2O
al aumentar la temperatura se puede forzar esta reaccin a la derecha
liberando CO2 gaseoso y se formar un precipitado de carbonato de calcio
en el agua de ebullicin con dureza temporal.
El anlisis de dureza se realiza comnmente en aguas naturales y en aguas
potables y de cierto uso industrial. El rango de la dureza vara de cero a
varios cientos y hasta miles de partes por milln. Aunque los niveles de
aceptabilidad varan de acuerdo con el deseo del consumidor, se ha
aceptado como clasificacin general:
Suave (o Blanda) < 50 mg/L CaCO3 Moderadamente dura 50 - 150 mg/L CaCO3 Dura 150 - 300 mg/L CaCO3 Muy dura > 300 mg/L CaCO3
4.4. OTRAS ESPECIES QUIMICAS EN EL AGUA
Existen otras especies qumicas que se hallan presentes en el agua
naturalmente, y son tambin importantes. Algunas de ellas pueden ser
contaminantes. Estas especies qumicas y sus fuentes, comportamiento y
significado en las aguas naturales se resumen en la tabla 2.
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5. MATERIA Y CICLOS DE LA MATERIA
Los ciclos de la materia basados a menudo en los ciclos elementales, son
de importancia sobresaliente en el ambiente. Los ciclos geoqumicos
globales pueden ser mirados desde el punto de vista de varios reservorios,
tales como ocanos, sedimentos y la atmsfera, conectados por conductos
a travs de los cuales la materia se mueve continuamente. El movimiento
de una clase especfica de materia entre dos reservorios particulares puede
ser reversible o irreversible. El flujo de movimiento para una clase
especfica de materia puede variar como lo hace el contenido de tal materia
en un reservorio especfico.
Los ciclos de la materia pueden ocurrir aunque haya ausencia de vida
sobre la tierra, pero estn fuertemente influenciados por las formas de vida,
particularmente plantas y microorganismos. Los organismos participan en
CICLOS BIOGEOQUIMICOS, los cuales descubren la circulacin de la
materia, particularmente nutrientes de plantas y animales a travs de los
ecosistemas. Como parte del ciclo del carbono, el carbono atmosfrico
como CO2 es fijado como biomasa y como parte del ciclo del nitrgeno, el
N2 es fijado en la materia orgnica. El inverso de este tipo de procesos es
la MINERALIZACION en la cual los elementos enlazados biolgicamente
retornan a sus estados inorgnicos.
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La figura 3A, muestra un ciclo general con las cinco (5) esferas o
reservorios en los cuales puede estar contenida la materia. Las actividades
humanas tiene tan fuerte influencia sobre los ciclos materiales que es til
referirse a la ANTROSFERA con cualquier otra esfera como reservorio de materiales.
Algunas de las numerosas posibilidades de intercambio de materiales se
resumen en la tabla 3.
TABLA 3. Intercambio de materiales entre las posibles esferas de la atmsfera.
ADESDEATMOSFERA HIDROSFERA BIOSFERA GEOSFERA ANTROSFERA
Atmsfera __ H2O O2 H2SPartculas SO2, CO2
Hidrosfera H2O __ {CH2O} Solutos minerales Contaminantes del agua
Biosfera O2, CO2 H2O __ Nutrientes minerales Fertilizantes
Geosfera H2O H2O Materia orgnica __ Residuos peligrosos
Antrosfera O2, N2 H2O Alimento Minerales __
FIGURA 3A. Ciclo General mostrando el intercambio de materia entre la Atmsfera, Biosfera, Antrosfera, Geosfera e Hidrosfera.
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5.1. CICLOS ENDOGENICOS Y EXOGENICOS
Los ciclos materiales pueden ser divididos principalmente en CICLOS
ENDOGENICOS, los cuales predominantemente involucran rocas
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ATMOSFERA (At)
ANTROSFERA (An)
BIOSFERA (Bi)
GEOSFERA (GE) HIGROSFERA
(Hy)
Bi An
Bi An
Ge Hy
Ge Hy
Bi Ge
BiGe
At An
AtAn
BiAt
BiAt
AnHy
An Hy
Ge An
Ge An
Bi Hy
BiHy
Ge AtGe At
At HyAt Hy
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superficiales de varias clases y CICLOS EXOGENICOS, los cuales
ocurren ampliamente en la superficie terrestre y usualmente tienen un
componente atmosfrico. Estas dos clases de ciclos se representan en la
figura 4. En general, el sedimento y el suelo pueden ser mirados como
compartidos entre los dos ciclos y constituyen una interfase predominante
entre ellos.
Muchos de los ciclos biogeoqumicos pueden ser descritos como CICLOS
ELEMENTALES involucrando nutrientes, tales como el carbono,
nitrgeno, oxgeno, fsforo y azufre. Muchos son ciclos Exognicos en los
cuales el elemento de inters gasta parte de su ciclo en la atmsfera O2 para oxgeno, N2 para nitrgeno y CO2 para el carbono. Otros, como el
fsforo no tienen componente gaseoso y son ciclos Endognicos. Todos
los ciclos sedimentarios involucran soluciones salinas y soluciones del
suelo que contienen sustancias disueltas lixiviadas por arrastre de
materiales, estas sustancias pueden ser depositadas como formaciones
minerales o pueden ser tomadas por los organismos como nutrientes.
FIGURA 4. DIAGRAMA GENERAL DE LOS CICLOS EXOGENICO Y ENDOGENICO
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DIAGRAMA CICLO EXOGENICO
ATMOSFERA
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5.2. CICLO DEL CARBONO
El carbono circula a travs del ciclo del carbono mostrado en la figura 5.
Este ciclo muestra que el carbono puede estar presente como CO2 gaseoso
atmosfrico, constituyendo una parte relativamente pequea pero altamente
significante del carbono global. Una parte de este carbono se disuelve en
las aguas superficiales y aguas subterrneas como HCO3- o CO2 (acuoso).
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BIOSFERA
HYDROSFERA
SEDIMENTOS
ROCAS SEDIMENTARIAS
ROCA IGNEA
MAGMA
ROCAMETAMORFICA
DIAGRAMA CICLO ENDOGENICO
S U E L O
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Una gran cantidad de carbn est presente en minerales particularmente
carbonato de calcio y magnesio como CaCO3. La fotosntesis fija el
carbono inorgnico como carbn biolgico representado como {CH2O}, el
cual es un constituyente de todas las molculas vivas. Otra fraccin del
carbn es fijada como petrleo y gas natural con una gran cantidad como
hidrocarburos, carbn lignita, representados como CxH2x. Los procesos
manufactureros son utilizados para convertir hidrocarburos en compuestos
xenobiticos con grupos funcionales que contienen halgenos, oxgeno,
nitrgeno, fsforo o azufre. Aunque ellos son una cantidad muy pequea
del carbono ambiental, estos compuestos son particularmente significativos
debido a sus efectos qumicos toxicolgicos.
Un aspecto muy importante del ciclo del carbono es que es el ciclo por el
cual la energa solar es transferida a los sistemas biolgicos y
ultimadamente a la geosfera y antrosfera como carbn fsil y aceites
FIGURA 10. CICLO DEL CARBONO
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fsiles. El carbono orgnico o carbn biolgico {CH2O} est contenido en
molculas ricas en energa que pueden reaccionar con el oxgeno
molecular, O2 para regenerar CO2 y producir energa. Esto puede ocurrir
bioqumicamente en un organismo a travs de la respiracin aerbia o
puede como combustin cuando la madera o los aceites fsiles se queman.
Los microorganismos estn fuertemente involucrados en el ciclo del
carbono, mediante reacciones bioqumicas. Las algas fotosintticas son las
que predominantemente fijan carbono en el agua; como consumen CO2, el
pH se eleva dando lugar a la precipitacin de CaCO3 y CaCO3.MgCO3. El
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carbono orgnico fijado por microorganismos es transformado por los
procesos bioqumicos a petrleo fsil, Kerosene, carbn y lignita. Los
microorganismos degradan el carbono orgnico desde la biomasa, petrleo
y fuentes xenobiticas para retornar finalmente a la atmsfera como CO2.
Los hidrocarburos tales como el aceite crudo y algunos hidrocarburos
sintticos son degradados por microorganismos. Este es un mecanismo
importante para eliminar hidrocarburos contaminantes tales como los que
accidentalmente son esparcidos sobre el suelo o el agua. La
Biodegradacin puede ser usada para tratar compuestos que contienen
carbono en residuos peligrosos.
5.3. CICLO DEL NITROGENO
Como se muestra en la figura 6, el nitrgeno ocurre predominantemente en
todas las esferas del ambiente. La atmsfera es de 78% en volumen,
nitrgeno elemental, N2, y constituye un inexhaustible reservorio de este
elemento. El nitrgeno aunque constituye mucho menos de la biomasa que
el oxgeno y el carbono, es el constituyente esencial de las protenas. La
molcula de N2 es muy estable as que al descomponerse en tomos
pueden ser incorporados con formas qumicas orgnicas e inorgnicas
constituyendo la etapa limitante de su ciclo. Esto mediante procesos
altamente energticos con descargas luminosas que producen xidos de
nitrgeno. El N2 elemental es tambin incorporado en formas enlazadas
qumicamente o fijado por procesos bioqumicos mediante
33
-
microorganismos. El nitrgeno biolgico es mineralizado a la forma
inorgnica, durante la destruccin de la biomasa. El nitrgeno pude ser
fijado sintticamente a altas temperaturas con condiciones de alta presin
de acuerdo con la siguiente reaccin:
N2 + 3 H2 2NH3
La produccin de N2 gaseoso y N2O por microorganismos y la evolucin
de estos gases a la atmsfera completan el ciclo del nitrgeno a travs del
proceso de DENITRIFICACION.
FIGURA 6. CICLO DEL NITRGENO
34
-
5.3.1.TRANSFORMACIONES MICROBIALES DEL NITROGENO
Algunas de las reacciones qumicas ms importantes llevadas a cabo por
microorganismos en los ambientes acuticos y del suelo son las que
involucran compuestos nitrogenados. Ellas estn resumidas en este otro
ciclo del nitrgeno, figura 7. Este ciclo descubre los procesos dinmicos a
travs de los cuales el nitrgeno es intercambiado entre la atmsfera,
materia orgnica y compuestos inorgnicos. Este es uno de los procesos
dinmicos ms vitales de la naturaleza.
El ciclo del nitrgeno comprende las siguientes transformaciones
bioqumicas:
Fijacin de Nitrgeno, donde el nitrgeno molecular es fijado como
nitrgeno orgnico; Nitrificacin, procesos de oxidacin de amonaco a
35
-
nitratos; Reduccin de Nitrato, proceso en el cual el in nitrato es reducido
a otros compuestos en estado de oxidacin menor y Denitrificacin o sea
la reduccin de nitrato y nitrito a N2 con la resultante prdida de nitrgeno
gaseoso a la atmsfera.
FIGURA 7. CICLO MICROBIAL DEL NITRGENO
36
-
5.3.2. FIJACION DE NITRGENO
El proceso microbial completo para la fijacin del nitrgeno, el
enlazamiento del nitrgeno atmosfrico en una forma qumicamente
combinada, es actualmente
3 {CH2O} + 2 N2 + 3 H2O + 4 H+ 3 CO2 + 4 NH4+
bastante complicada y no completamente entendido. La fijacin biolgica
del nitrgeno es un proceso bioqumico clave en el ambiente y es esencial
para el crecimiento de las plantas en ausencia de fertilizantes sintticos.
Slo unos pocos microorganismos acuticos tienen la capacidad de fijar el
nitrgeno atmosfrico. Entre las bacterias acuticas que poseen esta
capacidad, estn las bacterias fotosintticas AZOTOBACTERIAS, varias
especies de CLOSTRIDIUM y las cianobacterias llamadas tambin algas
azul-verdosas.
37
-
En muchos sistemas de aguas naturales, sin embargo, la fraccin del
nitrgeno fijado por los microorganismos en el agua relativo a lo originado
por descomposicin de la materia orgnica, escorrenta de fertilizantes y
otras fuentes externas es muy baja. La bacteria ms conocida e importante
en la fraccin de nitrgeno es la RHIZOBIUM, la cual posee una relacin
simbitica con plantas leguminosas como la alfalfa. Esta bacteria se halla
en los ndulos de las races de las leguminosas.
5.3.3. NITRIFICACION
El proceso de Nitrificacin es decir la conversin de N(III) a N (V) es muy
comn y extremadamente importante en el agua y en el suelo. El nitrgeno
acutico en equilibrio termodinmico con el aire est en el estado de
oxidacin +5 como NO3-, mientras que en muchos compuestos biolgicos,
el nitrgeno est presente como N (III), tales como -NH2 en aminocidos.
La constante de equilibrio para la reaccin de nitrificacin completa escrita
para un mol de electrones;
O2 + 1/8 NH4+ 1/8 NO3- + H+ + 1/8 H2O
es 107.59, as que la reaccin es altamente favorable desde el punto de vista
termodinmico.
La nitrificacin es especialmente importante en la naturaleza debido a que
el N2 es absorbido por las plantas como nitrito. Cuando se aplican
38
-
fertilizantes en forma de sales de amonio o hidrxido de amonio, la
transformacin microbial a nitrato posibilita la mxima asimilacin de
nitrgeno por las plantas.
En la naturaleza, la nitrificacin est catalizada por dos grupos de
bacterias, NITROSOMAS y NITROBACTERIAS. Las Nitrosomonas
realizan la transicin de amoniaco a nitrato,
NitrosomonasNH3 + 3/2 O2 H+ + NO2- + H2O
mientras las Nitrobacterias llevan a cabo la oxidacin de nitrito a nitrato:
NitrobacteriasNO2- + O2 NO3-
Estos dos tipos de bacterias altamente especializadas son obligadamente
aerobias, esto es funcionan solamente en presencia de oxgeno.
5.3.4. REDUCCION DE NITRATO
La reduccin de nitrato se refiere al proceso microbial por el cual el
nitrgeno en compuestos qumicos es reducido a un estado de oxidacin
menor. En ausencia de oxgeno, el nitrato puede ser usado por algunas
bacterias como un receptor de electrones alterno.
39
-
El nitrgeno es el componente esencial de las protenas y cualquier
organismo que utilice nitrgeno de nitrato para la sntesis de protenas debe
primero reducir el nitrgeno al estado de oxidacin (III).
Generalmente, cuando el in nitrato funciona como un aceptor de
electrones, el producto es NO2- :
NO3- + {CH2O} NO2- + H2O + CO2
El rendimiento de energa libre por electrn mol es solamente 2/3 del
rendimiento cuando el oxgeno es el oxidante, sin embargo el in nitrato es
buen receptor de electrones en ausencia de O2. Uno de los factores
limitantes del uso del in nitrato en esta funcin es su relativamente baja
concentracin en muchos aguas. Adems el NO2- es relativamente txico y
tiende a inhibir el crecimiento de muchas bacterias luego de alcanzar cierto
nivel.
5.3.5. DENITRIFICACION
Un caso especial muy importante de reduccin de nitrato es la
Denitrificacin en el cual el nitrgeno reducido es un gas que contiene N,
usualmente N2. A pH de 7.00 unidades el G por mol de la reaccin es -2.58 Kcal:
1/5 NO3- + {CH2O} + 1/5 H+ 1/10 N2 + CO2 + 7/20 H2O
40
-
La energa libre por mol de nitrato reducido a N2 es ms baja que la
reduccin de su misma cantidad a nitrito. Ms importante, sin embargo es
el hecho de que la reduccin de NO3- a N2 consume 5 electrones
comparado con solo 2 electrones que consume la reduccin de NO3- a
NO2-.
La Denitrificacin es un proceso importante en la naturaleza. Es el
mecanismo por el cual el nitrgeno fijado retorna a la atmsfera. Es
tambin importante en los sistemas de tratamiento avanzados de aguas
para remover nutrientes de nitrgeno.
La prdida de N2 a la atmsfera puede ocurrir tambin a travs de la
formacin de N2O y NO por accin bacterial sobre nitrato y nitrito
catalizados por la accin de varios tipos de bacterias. La produccin de
N2O a N2 se aumenta durante la Denitrificacin en suelos por aumento de
las concentraciones de NO3-, NO2- y O2.
5.4. CICLO DEL OXIGENO
El ciclo del oxgeno es muy importante en la Qumica Atmosfrica, las
transformaciones geoqumicas y los procesos vivos (Figura 8).
El oxgeno en la troposfera juega un papel muy importante en los procesos
que ocurren en la superficie terrestre.
FIGURA 8. CICLO DEL OXIGENO
41
-
El oxgeno atmosfrico toma parte en reacciones productoras de energa,
tales como la quema de aceites fsiles:
CH4 (Gas Natural) + 2 O2 CO2 + 2 H2O
42
-
El oxgeno atmosfrico es utilizado por los microorganismos aerbios en la
degradacin de la materia orgnica. Algunos procesos de desgaste
oxidativo consumen oxgeno, tales como:
4 FeO + O2 2 Fe2O3
El oxgeno retorna a la atmsfera a travs del proceso de fotosntesis de las
plantas:
CO2 + H2O + h {CH2O} + O2
Todo el oxgeno molecular presente ahora en la atmsfera que se ha
originado a travs de la accin fotosinttica de organismos, lo cual muestra
la importancia de la fotosntesis en el balance de oxgeno de la atmsfera.
Tambin se ha mostrado que mucho del carbn fijado por estos procesos
fotosintticos se haya disperso en formaciones minerales como material
hmico; solamente una fraccin muy pequea es depositada en los lechos
de los aceites fsiles. Adems, aunque la combustin de aceites fsiles
consume grandes cantidades de O2, no existe peligro de desperdicio del
oxgeno atmosfrico.
Debido a la atmsfera extremadamente rarificada y a los efectos de la
radiacin ionizada, el oxgeno elemental en la atmsfera superior, existe en
gran extensin en otras formas diferentes al O2 diatmico, como tomos de
O, molculas de oxgeno excitados O2* y ozono O3. El oxgeno atmico,
O, es estable principalmente en la termosfera, donde la atmsfera es tan
43
-
enrarecida que la colisin de tres cuerpos requerida para la reaccin del
oxgeno atmico rara vez ocurre. El oxgeno atmico es producido por una
reaccin fotoqumica
O2 + h O + O
El enlace qumico oxgeno-oxgeno es fuerte (120 Kcal/mol) y la radiacin
ultravioleta en regiones de longitud de onda 135 - 176 y 240 - 260 nm es
ms efectiva para lograr la disociacin del oxgeno molecular. Debido a la
disociacin fotoqumica, el O2 prcticamente no est presente a altitudes
que excedan los 400 Km en la forma molecular.
Los tomos de oxgeno en la atmsfera pueden existir en el estado
estacionario (O) y en estados excitados (O*). Estos son producidos por la
fotosntesis del ozono, el cual tiene una relativa baja energa de enlace, 26
Kcal/mol, a longitudes de onda por debajo de 308 nm
O3 + h ( < 308 nm) O* + O2
o por reacciones qumicas altamente energticas tales como:
O + O + O O2 + O*
El oxgeno atmico excitado emite luz visible a longitudes de onda de 636
nm, 630 nm y 558 nm. Esta luz emitida es parcialmente responsable de la
niebla, una radiacin electromagntica muy tenue emitida continuamente
44
-
por la atmsfera terrestre. Aunque su componente visible es muy dbil, la
niebla es bastante intensa en la regin infrarrojo del espectro.
El in oxgeno, O+, el cual puede ser producido por radiacin ultravioleta
actuando sobre los tomos de oxgeno
O + h O+ + e-
es el in positivo predominante en algunas regiones de la ionosfera.
El puede reaccionar con el oxgeno molecular o nitrgeno,
O+ + O2 O2+ + O
O+ + N2 NO+ + N
para formar otros iones positivos.
El ozono, O3, tiene una funcin esencial protectora porque absorbe
radiacin ultravioleta daina en la estratosfera y sirve como una pantalla de
radiacin, protegiendo los seres vivos sobre la tierra de los efectos de la
excesiva cantidad de tal radiacin. Esto es producido por una reaccin
fotoqumica,
O2 + h O + O
seguida por una de tres cuerpos
45
-
O + O2 + M O3 + M
en la cual M es otra especie, tal como una molcula de N2 o de O2, la cual
absorbe el exceso de energa liberado en la reaccin que posibilita a la
molcula de ozono de permanecer junta. La regin de mxima
concentracin de ozono se encuentra en un rango de altura de 25 - 30 Km
en la estratosfera donde puede alcanzar 10 ppm.
El ozono absorbe luz ultravioleta fuertemente en la regin 220 - 330 nm.
Si esta luz no fuera absorbida por el ozono, se presentaran daos severos
sobre las formas de vida sobre la tierra expuestas.
La reaccin total,
2 O3 3 O2
es favorable termodinmicamente, as que el ozono es inherente inestable.
Su descomposicin en la estratosfera, es catalizada por un nmero de
constituyentes naturales o contaminantes, incluyendo NO, NO2, H, HO,
HOO, ClO, Cl, Br y BrO. La descomposicin del ozono ocurre tambin
sobre superficies slidas, tales como xidos metlicos y sales producidas
por el desfogue de cohetes.
Aunque el mecanismos y la velocidad para la produccin del ozono en la
estratosfera es bien conocida, los medios para su remocin son menos
46
-
entendidos. Adems de llevar a cabo su descomposicin por accin de la
radiacin ultravioleta, el ozono estratosfrico reacciona con el oxgeno
atmico, el radical hidrxido y el NO
O3 + h O2 + OO3 + O O2 + O2
O3 + HO O2 + HOO
El ozono es un contaminante indeseable en la Troposfera. Es txico para
los animales y plantas y tambin daa materiales como el caucho.
5.5. EL CICLO DEL FOSFORO
El ciclo del fsforo (figura 9), es esencial porque el fsforo es usualmente
el nutriente limitante en los ecosistemas. No existen formas gaseosas
estables comunes de fsforo, as que el ciclo del fsforo es endognico.
En la geosfera el fsforo se encuentra en minerales muy poco solubles
como la hidroxiapatita, una sal de calcio, depsitos los cuales constituyen
la principal reserva de fsforo en el ambiente.
El fsforo soluble de minerales de fosfato y otras fuentes, tales como
fertilizantes, es tomado por las plantas e incorporado en los cidos
nucleicos, los cuales fabrican el material gentico de organismos. La
mineralizacin de biomasa por destruccin microbial retoma el fsforo a la
solucin salina desde la cual puede precipitar como materia mineral.
47
-
La antroposfera es un reservorio importante de fsforo en el ambiente.
Grandes cantidades extradas de minerales de fosfato darn fertilizantes,
industrias qumicas y aditivos alimenticios. El fsforo es un constituyente
de compuestos extremadamente txico, especialmente insecticidas
organofosforados y gases venenosos.
FIGURA 9. CICLO DEL FSFORO
48
-
5.6. CICLO DEL AZUFRE
El ciclo del azufre, ilustrado en la figura 10, es relativamente complejo
debido a que involucra varias especies gaseosas, minerales poco solubles y
varias especies en solucin. Est ligado con el ciclo del oxgeno en el
azufre se combina con el oxgeno para formar el dixido de azufre
gaseoso, SO2, un contaminante de la atmsfera y el in sulfato soluble,
SO4= . Entre las especies significativas que forman parte del ciclo del
azufre estn el sulfuro de hidrgeno, H2S; los sulfuros minerales , tales
como el PbS, el cido sulfrico, principal constituyente de la lluva cida y
el azufre enlazado bioqumicamente a protenas que contienen azufre. La
figura 10 muestra los principales aspectos del ciclo del azufre. Este ciclo
involucra principalmente H2S, SO2, SO3 y sulfatos.
Existe mucha incertidumbre mirando las fuertes reacciones y destinos de
estas especies de azufre atmosfrico. Sobre una base global, los
compuestos de azufre entran a la atmsfera en una gran extensin, a travs
de las actividades humanas. Aproximadamente 100 millones de toneladas
49
-
mtricas de azufre por ao entran a la atmsfera a travs de actividades
antropognicas, principalmente como SO2 de la combustin del carbn y
residuos de aceites fsiles. La mayor incertidumbre en el ciclo tiene que
ver con el azufre no antropognico, el cual entra a la atmsfera
FIGURA 15. CICLO DEL AZUFRE
50
-
principalmente como H2S de volcanes y de la descomposicin biolgica y
la reduccin de sulfato.
Cualquier cantidad de H2S que entre a la atmsfera es convertida
rpidamente a SO2 acorde con el siguiente proceso:
H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O
La reaccin inicial es la abstracin del in hidrgeno por el radical
hidroxilo,
H2S + HO HS + H2O
seguida por las siguientes reacciones para dar SO2
HS + O2 HO + SO
SO + O2 SO2 + O
La principal fuente antropognica del dixido de azufre es el carbn, del
cual el azufre debe ser removido para mantener las emisiones de SO2 en
niveles aceptables. Aproximadamente la mitad del azufre en el carbn est
en forma de pirita, FeS2, y la otra mitad como azufre orgnico.
51
-
La produccin de la pirita esta dada por
4 FeS2 + 11 O2 2 Fe2O3 + 8 SO2
Esencialmente todo el azufre es convertido a SO2; solamente de 1% a 2%
queda como SO3.
52
-
6. INTERACIONES LIQUIDO - SOLIDO - GAS EN LA QUIMICA ACUATICA
Las reacciones qumicas homogneas que ocurren en solucin acuosa son
bastante raras en aguas naturales y aguas residuales. Adems, muchos de
los fenmenos qumicos y bioqumicos que ocurren en el agua involucran
la interaccin entre las diferentes especies presentes en el agua y en
cualquier otra fase. Algunas de estas interacciones son ilustradas en la
figura 11. La produccin de biomasa slida a travs de la actividad
fotosinttica de las algas celulares en suspensin involucra el intercambio
de slidos disueltos y gases entre la clula y el agua de los alrededores.
Otros intercambios similares se dan cuando las bacterias degradan la
materia orgnica (a menudo como pequeas partculas) en el agua.
Tambin se dan reacciones qumicas que producen slidos o gases en el
agua. El hierro y muchos elementos importantes a nivel de trazas son
transportados a travs de los sistemas acuticos como compuestos
qumicos coloidales o adsorbidos sobre partculas slidas. Los
hidrocarburos polutantes y algunos pesticidas pueden estar presentes en el
FIGURA 11. Interacciones
53
-
agua superficial como un lquido inmiscible. Mucho material sedimentado
puede ser arrastrado fsicamente hacia los cuerpos del agua.
Los slidos involucrados en las interacciones qumicas acuticas pueden
clasificarse en dos categoras: Sedimentos y Material Coloidal
54
-
Suspendido. El material coloidal, el cual tambin consiste de gases o lquidos inmiscibles en agua, es muy reactivo debido a su alta rea
superficial por unidad de peso.
6.1. FORMACION DE SEDIMENTOS
Los sedimentos consisten tpicamente de mezcla de arcilla, arena, materia
orgnica y varios minerales. Los sedimentos son depositados en las
regiones al fondo de los cuerpos de agua a travs de un nmero de
procesos fsicos, qumicos y biolgicos. Por ejemplo, el material
sedimentario puede ser simplemente llevado a un cuerpo de agua por la
erosin o excavacin de una mina. Luego la arcilla, arena, materia orgnica
y otros minerales pueden ser arrastrados a un lago y depositarse como
capas de sedimento. Los sedimentos tambin pueden ser depositados por
simples reacciones de precipitacin como lo explican los ejemplos a
continuacin: Cuando un agua residual rica en fosfato entra a un cuerpo de
agua con una alta dureza, se lleva a cabo la siguiente reaccin produciendo
hidroziapatita:
5 Ca +2 + H+ + 3 PO4-3 Ca5OH(PO4)3 (s)
Se puede tambin precipitar carbonato de calcio cuando un agua rica en
dixido de carbono y con un alto nivel de calcio pierde CO2 a la atmsfera:
Ca+2 + 2 HCO3- CaCO3 (s) + CO2 + H2O
55
-
o cuando el pH se eleva por reaccin fotosinttica:
Ca+2 + 2 HCO3- + h {CH2O} + CaCO3 (s) + O2
La oxidacin de formas reducidas de un elemento puede dar lugar a su
transformacin en especies insolubles; esto ocurre cuando Fe (II) es
oxidado a Fe (III) produciendo un precipitado insoluble de hidrxido
frrico:
4 Fe+2 + 10 H2O + O2 4 Fe(OH)3 (s) + 8 H+
Un descenso en el pH puede dar lugar a la produccin de sedimento cido
hmico insoluble, desde una solucin de sustancias hmicas orgnicas
solubles en base.
La actividad biolgica es responsable de la formacin de algunos
sedimentos acuticos Algunas especies bacterianas producen grandes
cantidades de xido frrico como parte de su mediacin energtica en la
oxidacin de Fe (II) a Fe (III).
En regiones anaerobicas de fondo, algunas bacterias usan el in sulfato
como aceptor de electrones:
SO4= H2S
56
-
mientras otras bacterias reduce Fe (III) a Fe (II):
Fe(OH)3 (s) Fe+2
siendo el resultado neto una reaccin de precipitacin de una capa negra de
sulfuro de hierro en el sedimento :
Fe+2 + H2S FeS (s) + 2 H+
Muchas de las propiedades y efectos de los slidos en contacto con el agua
tiene que ver con la adsorcin de solutos por superficies slidas, Las
superficies en slidos finamente divididos tienden a tener energa
superficial en exceso. Este es el resultado de una energa de fuerzas entre
de tomos, iones y molculas. El nivel de energa superficial puede ser
disminudo por reduccin en el rea superficial. Esta reduccin se haya
acompaada normalmente por agregacin de partculas o por sorcin de
solutos.
Estas interacciones superficiales pueden ser ilustradas con superficies de
xidos metlicos. Tal superficie puede adsorber iones metlicos Mt+z por
complejacin en la supeerficie:
MOH + Mt+z M-OHt z-1 + H+
o quelacin con in metlico:
57
-
M-OH M-O
+ Mt+z Mt z-2 + 2 H+
M-OH M-O
Un in metlico acomplejado con el ligando L, puede enlazarse por
desplazamiento ya sea de H+ o OH- :
M-OH + Mt L+z M-OMtL (z-1) + H+
M-OH + MtL+z M-(MtL) (z+1) + OH-
Adems en presencia de un ligando, la disociacin del complejo y sorcin
del complejo metlico y ligando debe ser considerado como se muestra a
continuacin:
Mt +z (sorb) Mt +z (ac)MtL +z (sorb) MtL +z (ac)L (sorb) L (ac)
6.2. INTERCAMBIO IONICO CON SEDIMENTOS DE FONDO
Los sedimentos de fondo son fuentes importantes de materia orgnica e
inorgnica en corrientes superficiales, estuarios y ocanos. Es incorrecto
considerar los sedimentos de fondo simplemente como un suelo hmedo.
Los suelos normales estn en contacto con la atmsfera y son aerobicos,
58
-
mientras que el ambiente de los sedimentos de fondo es anaerobico, y
estn sujetos a condiciones reductoras, tambin estn continuamente
lixiviando mientras los suelos no. El nivel de materia orgnica en
sedimentos es generalmente mayor que en suelos.
Una de las caractersticas ms importantes de los sedimentos de fondo es
su habilidad a intercambiar cationes con sus alrededores en el medio
acutico. La capacidad de intercambio catinico (CIC) mide la capacidad
de un slido, tal como un sedimento, para absorber cationes. Esta vara con
el pH y con su concentracin de sales. Otro parmetro como el estado de
Cationes Intercambiables (CI), se refiere a la cantidad de iones especficos
enlazados a una cantidad dada de sedimento. Generalmente tanto CIC
como CI, son expresados en miliequivalentes por 100 gramos de slido.
Debido a la naturaleza anaerobia de los sedimentos de fondo, se debe tener
mucho cuidado en el muestreo y tratamiento. Particularmente el contacto
con el O2 atmosfrico rpidamente oxida el Fe+2 y Mn+2 intercambiables a
xidos no intercambiables que contienen los metales en estados de
oxidacin mayores como Fe2O3 y MnO2. Las muestras de sedimentos
deben ser inmediatamente selladas y congeladas luego de su coleccin.
Los sedimentos en corrientes superficiales tienen valores tpicos CIC de 20
- 30 meq/100 g y de CI 1 -20 meq/100 g. Los sedimentos son recipientes
importantes de iones metlicos que pueden ser intercambiados con el agua
de sus alrededores. Adems debido a su capacidad para sorcin y
59
-
liberacin de iones hidrgeno, tienen un efecto buffer importante en
algunas aguas.
6.3. INTERCAMBIO DE FOSFORO CON SEDIMENTOS DE
FONDO
El Fsforo es uno de los elementos importantes de la Qumica Acutica y
se piensa que es el nutriente limitante en el crecimiento de las algas bajo
muchas condiciones. El intercambio con sedimentos juega el papel de
hacer el fsforo disponible por las algas y contribuye, adems a la
eutroficacin.
La sntesis de biomasa consume una gran cantidad de fsforo. La biomasa
acutica es solamente cerca a 1 % del peso seco. Pero an en este
porcentaje bajo, la biosntesis a travs del crecimiento de algas le
disminuye al agua fsforo soluble. Aunque el fsforo reciclado desde el
material biolgico muerto, la destruccin y conversin a in fosfato es
necesaria para hacer el fsforo orgnico disponible para las algas y otras
plantas.
El fsforo sedimentado puede ser clasificado en cuatro tipos:
1. Fosfato mineral
2. Fsforo no condensado
60
-
3. Fsforo absorbido
4. Fsforo orgnico
1. Un ejemplo de un comn y discreto mineral de fsforo sedimentado es
la hidroxiapatita Ca5OH(PO4)3. Otras que se forman en el agua y contienen
fosfato mineral, incluyen el Mg3(PO4)2.Mg(OH) hidroxifosfato de
manganeso y vivianita Fe3(PO4)2.8H2O.
2. Los iones ortofosfato pueden formas depsitos sobre la superficie de
minerales tales como SiO2 y la calcita, CaCO3. Este fsforo no condensado
est en contacto directo con el agua y presumiblemente es ms
rpidamente solubilizado que otras formas de fsforo.
3. Los xidos hidratados amorfos de hierro, aluminio y los
aluminosilicatos, tienen una afinidad particular por el ortofosfato. El
trmino fsforo condensado se refiere a los iones ortofosfato contenido
entre la matriz estructural y estos minerales.
4. El fsforo incorporado en la biomasa acutica usualmente de algas o de
origen bacteriano y con steres orgnicos de fosfato, pueden clasificarse
como fsforo orgnico. En algunas aguas residuales con altas cargas de
desechos industriales y domsticos, los polifosfatos inorgnicos
(detergente, por ejemplo) pueden estar presentes en sedimentos. La
escorrenta de cuerpos donde los fertilizantes polifosfato lquidos han sido
usados es posible que los polifosfatos sean absorbidos por los sedimentos.
61
-
6.4. METALES EN NIVEL TRAZA EN SEDIMENTOS Y
MATERIA EN SUSPENSION
Los sedimentos y partculas en suspensin son receptoras importantes de
cantidades traza de metales como : cromo, cadmio, cobre, molibdeno,
nquel, cobalto y manganeso. Estos metales pueden estar presentes en un
gran nmero de formas, incluyendo compuestos discretos o iones
sostenidos por efecto de intercambio catinico, que podran estar
enlazados a xidos hidratados de hierro y manganeso o en sustancias
hmicas insolubles.
La forma de estos metales depende de las condiciones redox. Algunos
ejemplos de compuestos que contienen trazas de metales y que pueden ser
estables en aguas naturales bajo condiciones oxidantes y reductoras se dan
en la tabla No. 4.
La solubilidad de metales de materia sedimentada o suspendida es una
funcin de los agentes acomplejantes presentes. Estos incluyen
aminocidos tales como tirosiona, histidina, in citrato y el in cloruro en
aguas marinas.
Las partculas suspendidas que contienen elementos trazas pueden estar en
el rango de tamao de submicrones. Muchos valores reportados de metales
traza disueltos en el agua son inexactos porque estas partculas
62
-
TABLA No. 4. METALES PESADOS QUE PUEDEN SER ESTABLES BAJO CONDICIONES OXIDANTES Y REDUCTORAS
METALCONDICIONES OXIDANTES
(Alto pE)
CONDICIONES REDUCTORAS
(Bajo pE y S(-II) presentes)Cd
Cu
Fe
Hg
Mn
Ni
Pb
Zn
CdO3
Cu2(OH)2CO3
Fe2O3.X(H2O)
HgO
MnO2. X(H2O)
Ni(OH)2, NiCO3
2PbCO3.Pb(OH)2.PbCO3
ZnCO3, ZnSiO3
CdS
CuS
FeS, FeS2
HgS
MnS, MnCO3
NiS
PbS
ZnS
pasan a travs de un fluido de .05 usado comunmente para distinguir entre materia soluble e insoluble.
63
-
Entre los factores involucrados en la disponibilidad del metal estn: La
identidad del metal, su forma qumica, tipo de enlace, estado de oxidacin,
la naturaleza del material en suspensin, el tipo de organismo y las
condiciones fisicoqumicas en el agua.
6.5. SORCION DE COMPUESTOS ORGANICOS POR
MATERIAL SUSPENDIDO, SEDIMENTOS Y SUELO
Muchos compuestos orgnicos interactan con el material en suspensin y
sedimentos en cuerpos de agua. La precipitacin de material en suspensin
conteniendo materia orgnica adsorbida lleva compuestos orgnicos hacia
un ro o lago. Por ejemplo, este fenmeno es el responsable de la presencia
de herbicidas en sedimentos que contienen partculas de suelo
contaminadas erosionadas desde suelos agrcolas a como tambin algunos
compuestos orgnicos son arrastrados a los sedimentos por los sobrantes
de organismos o por heces de zooplancton que han acumulado
contaminantes orgnicos.
La materia particulada suspendida afecta la movilidad de compuestos
orgnicos adsorbidos sobre partculas. Adems, la materia orgnica
adsorbida lleva a cabo la degradacin qumica y biodegradacin a
diferentes velocidades y rutas comparadas con la materia orgnica en
solucin. Pocos estudios se han realizado sobre la interaccin de coloides
naturales y los orgnicos. Se requieren estudios adicionales para entender
64
-
la toxicidad, transporte y degradacin de contaminantes orgnicos en aguas
naturales.
Existe por supuesto, una amplia variedad de compuestos orgnicos que
llegan al agua. Como se puede esperar ellos reaccionan con los sedimentos
por diferentes medios, el tipo y fuerza de enlace vara con el tipo de
compuesto. Los tipos de sedimentos mas comunes considerados por su
habilidad de enlazamiento orgnico son las arcillas, sustancias orgnicas
(hmicas) y hmico-arcillosas las cuales actan como intercambiadores
catinicos. Adems estos materiales adsorben compuestos orgnicos
catinicos a travs e intercambio inico. Este es un mecanismo de sorcin
fuerte, el cual reduce grandemente la movilidad y la actividad biolgica del
compuesto orgnico. Cuando son adsorbidos por arcillas, los compuestos
orgnicos catinicos se mantienen entre las capas de la estructura mineral
de la arcilla y aqu su actividad biolgica es cero.
Puesto que muchos sedimentos pierden sus sitios de intercambio aninico,
los orgnicos cargados negativamente no son sostenidos muy fuertemente.
Luego, estos compuestos son relativamente mviles en el agua, y su
actividad biolgica y biodegradabilidad permanece alta en el agua a pesar
de la presencia de slidos.
El grado de sorcin de compuestos orgnicos es generalmente
inversamente proporcional a la solubilidad en el agua. Los compuestos ms
solubles en agua tienden a ser tomados fuertemente por materiales slidos
lipoflicos. Los compuestos con alta presin de vapor pueden salir del agua
65
-
o de los slidos por evaporacin, cuando esto sucede las reacciones
fotoqumicas juegan un papel importante en su degradacin.
El herbicida 2,4 D (2,4 cido-diclorofenoxiactico) ha sido estudiado
extensamente en sus reacciones de sorcin. Muchos de estos estudios
tratan con minerales arcillosos puros, pero donde suelos y sedimentos
tienen comnmente un componente complejo cido fulvico-arcilla. La
adsorcin del 2,4-D sobre un complejo puede ser descrita usando la
ecuacin Freundlinch tipo isoterma:
X = K C
donde X es la cantidad adsorbida por unidad de peso del slido, C es la
concentracin del 2,4-D en equilibrio y n y k constantes. Estos valores se
determinan graficando Log X versus Log C, si la ecuacin de Freundlinch
se cumple, la grfica dar una linea recta con n como pendiente como el
intercepto de Log K.
La sorcin del 2,4-D sobre un complejo orgnico arcilloso a 5 C di un
valor de n de 0.76 y Log K de .0815; a 25 C n fue 0.83 y Log K fue
0.716.
La adsorcin de hidrocarburos no voltiles por sedimentos remueve estos
materiales del contacto con organismos acuticos pero tambin retarda su
biodegradacin. Las plantas acuticas producen algunos hidrocarburos que
son encontrados en sedimentos. Obviamente, el retener la materia orgnica
por material suspendido o sedimentado en el agua es un fenmeno
66
-
importante. Si no fuera por este fenmeno, los pesticidas en el agua seran
mucho ms txicos. La biodegradacin es disminuida apreciablemente, sin
embargo por la adsorcin por un slido y la influencia resultante en su
biodegradacin es una consideracin importante en la licencia de nuevos
pesticidas.
6.6. GASES EN EL AGUA INTERSTICIAL
El agua atrapada en los sedimentos es llamada Intersticial, tal agua puede
tener concentracin de soluto diferente de los del cuerpo de agua principal.
Las aguas intersticiales son un reservorio importante de gases en sistemas
de aguas naturales. Generalmente, las concentraciones de gases en estas
aguas son diferentes a las del cuerpo de agua global.
7. CONTAMINACION DEL AGUA
El agua es el usual recipiente de contaminacin humana en nuestro
ambiente. El es comnmente el vehculo de la contaminacin y tambin a
menudo la hidrosfera es el depsito final de la contaminacin (Figura 12).
67
-
Existen algunas razones para esto. Para colocar un contaminante en la
atmsfera usualmente se requiere una gran cantidad de energa de
gasificacin, combustin, vaporizacin o de pulverizacin. Sin embargo
para colocar un poluente en la hidrosfera o litosfera se requiere muy poca
energa. Un poluente es txico o al menos daino para los organismos que
lo producen, luego la contaminacin debe ser transportada de su punto de
origen. Los poluentes son altamente mviles en la atmsfera y casi
inmviles en la litosfera. Los contaminantes tales como residuos slidos,
depositados en la litosfera tienden a no dispersarse y acumularse sino
simplemente a ocupar todo el espacio donde los colocaron. Sin embargo
los contaminantes en la hidrosfera son tambin mviles y rpidamente
transportados de su punto de ya estn solubles o dispersos.
FIGURA 12. Trayectorias de la contaminacin.
68
-
7.1. QUIMICA DE LA CONTAMINACION DEL AGUA
Los contaminantes en el agua ya sean naturales o antropognicos, pueden
ser divididos en las siguientes categoras:
1. Naturales Ejemplos: Nitrato, fosfato
2. Materia Orgnica Residuos domsticos o industriales
3. Sustancias Indeseables Aceites
4. Venenos Mercurio, fenoles, pesticidas
Los nutrientes aceleran el crecimiento de organismos y pueden producir la
eutroficacin; la degradacin de la materia orgnica puede consumir el
suministro de oxgeno disuelto vital en el agua (DBO, DQO). Como
sustancias indeseables se catalogan aquellas que producen color en las
aguas, aumentan su turbiedad, o cubren su superficie, sedimentos y orillas.
69
-
Finalmente existen qumicos que son especficamente dainos para la vida
acutica y otros organismos, incluyendo el hombre que puede llegar a estar
en contacto con ellos o ingerirlos. Los contaminantes tambin pueden
alterar el pH de las aguas e impartirle olores y sabores indeseables. Debido
a que no puede ser cuantificado, algunos cientficos niegan la calidad
esttica del agua y otras formas de dao ambiental, ya que este es el
aspecto de deterioro ambiental ms obvio para el pblico en general.
Adems de ser contaminada qumicamente el agua puede ser trmicamente
afectada y esta forma de contaminacin puede traer consecuencias
qumicas desastrosas tales como la reduccin de oxgeno disuelto.
Algunas actividades humanas son notoriamente serios contaminantes del
agua. Examinaremos algunos rpidamente tales como desechos
industriales, produccin de pulpa y papel, drenaje de cido de minas,
detergentes y finalmente aguas negras.
7.1.1. RESIDUOS INDUSTRIALES
La industria no solamente usa enormes cantidades de agua, 3.4 % de la
precipitacin anual, fraccin solamente igualada por uso en irrigacin y
cerca de seis veces el uso municipal, sino que algunas industrias han sido
reconocidas como serios contaminantes (Tabla No. 5 y No. 6). Estas
incluyen la industria agrcola y el procesamiento de alimentos, la industria
de fermentacin, la produccin, fabricacin y terminado de metales,
70
-
textiles y colorantes, pulpa y papel, industria petroqumica. La tabla No. 4
muestra la cantidad de algunos efluentes industriales, mientras la tabla
No. 7, indica las fuentes de metales pesados en las principales industrias.
TABLA No. 5. VALORES ESTIMADOS DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS E INDUSTRIALES ANTES DE TRATAMIENTO
INDUSTRIA
AGUAS RESIDUALES (Galones * 1012)
DEMANDA BIOQUUIMICA DE
OXIGENO (Libras * 106)
SOLIDOS SEDIMENTABLES Y
SUSPENDIDOS (Libras *106)
Alimenticia
Textil
Papel y Subproductos
Qumica y Subproductos
Carbn y Petrleo
Caucho y Plsticos
Metalurgia
Maquinarias
Elctrica
Transportadora
Otras
690
140
1900
3700
1300
160
4300
150
91
240
450
4300
890
5900
9700
500
40
480
60
70
120
390
6600
__
3000
1900
460
50
4700
50
20
__
930
TOTAL 13100 22000 18000
71
-
Domstica (120 millones de personas)
5300 a 7300 b 8800 c
Donde:a= Nmero de personas 120 galones/persona/da 365 dasb= Nmero de personas 1/6 lb/persona/da 365 dasc= Nmero de personas 1/5 lb/persona/da 365 das
TABLA No. 6. COMPONENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES, SUS EFECTOS Y FUENTES TPICAS
GRUPO EFECTOS FUENTES1. BIOOXIDABLES : Expresadas como DBO
2. TOXICOS PRIMARIOS(As, CN, Cr, Cd, Cu, F, Hg, Pb, Zn)
3. ACIDOS Y ALCALIS
4. DESINFECTANTES Cl2, H2O2
5. FORMAS IONICAS : Fe, Ca, Mg, Cl, SO4.
Desoxigenacin. Condiciones anaerobias, muerte a peces - Malos olores.
Muerte de peces - Envenenamiento de ganado- Acumulacin en carnes de peces y moluscos.
Alteracin del pH en sistemas tamponados, modificando el sistema ecolgica previo.
Muerte selectiva de microorganismos _ Olores y sabores.
Cambio de las caractersticas del agua,
Carbohidratos solubles en gran proporcin: Refinacin del AzcarConservas AlimenticiasDestilerasCervecerasIndustria LcteaPulpa papel
Limpieza de MetalesPlatinacinPO4= y BauxitaCurtiembres
Drenaje de Minas de CarbnEncurtidos de AceroTextilesManufactura QumicaLanasLavandera
Blanqueo de papel y TextilesSntesis de ResinasPreparacin de PenicilinaIndustria del carbnColorantesIndustria Qumica
MetalurgaIndustria del Cemento
72
-
coloracin, dureza salinidad, incrustaciones.
Cermica
TABLA No. 7. METALES ENCONTRADOS EN LAS PRINCIPALES INDUSTRIAS
Al Ag As Cd Cr Cu Fe Hg Mn Pb Ni Sb Sn ZnALCALIS-CLORO INORGNICOS
METALES BASICOS NO FERROSOS
ACERO
FERTILIZANTES
PRODUCTOS DE VIDRIO,CEMENTO Y ASBESTO
CURTIEMBRES
MOTOR DEVEHICULOS Y AVIONES
QUIMICOS ORGANICOSY PETROQUIMICOS
REFINERIA DE PRTROLEO
PULPA Y PAPEL
TERMOELECTRICA
TEXTILES
*
73
-
La industria consume un promedio de 65 % de suministros de agua en los
Estados Unidos, y se han reportado algunos casos de mortandad de peces
debido a descargas de aguas residuales de plantas qumicas (Tabla No. 8),
es interesante compararlos con muerte de peces por pesticidas.
TABLA No. 8. Mortandad de Peces por Aguas Residuales provenientes de Industrias Qumicas.
AO NUMERO DE REPORTES
TOTAL DE PECES MUERTOS
REPORTADOS
VALOR PROMEDIO DE MUERTES POR INCIDENTES
REPORTANDO MUERTE TOTAL
1963
1964
1965
1966
1967
1968
34
26
37
36
24
39
224441
525739
218661
708815
43732
731881
7739
20220
7053
19689
1987
18766
Los desechos provenientes de la industria textil que usa fibras naturales
puede imponer una demanda bioqumica de oxgeno muy alta sobre aguas
receptoras, mientras los de produccin de fibras sinttica pueden adicionar
solventes orgnicos y alterar el pH tambin; los colorantes y la industria de
produccin de pigmentos pueden ser fuentes de contaminantes muy
txicos, por ejemplo la bencidina, la anilina y sus derivados, el uso de
74
-
mercurio como catalizador y la excesiva cantidad de taninos que reciben
las aguas de la produccin de colorantes naturales.
7.1.2. PULPA Y PAPEL
Los conservacionistas y eclogos han mirado por mucho tiempo la
industria de la pulpa y papel como un villano, y no sin buena causa debido
a las aguas contaminadas por esta industria y a la destruccin de bosques.
El licor de desecho de un molino de pulpa contiene cerca de 115 g/L de
slidos totales, 7.8 g/L de S, cenizas y SO2; en otros trminos la
produccin de una tonelada de pulpa para papel seco deja 600 Kg de lignina, 200 Kg de SO2 combinado con lignina, 90 Kg de CaO combinado
con lignina - cido sulfnico, 325 Kg de carbohidratos, 15 Kg de protenas
y 30 Kg de grasa. La demanda de oxgeno de todo este material es
inmensa, los compuestos de azufre (incluyendo metil mercaptanos como
tambin SO2 y cido sulfnico y sus derivados) son venenos muy fuertes y
el exceso de materia slida va al fondo de las aguas receptoras resultando
una descomposicin anaerobia que produce sulfuros txicos. Otros txicos
incluyen pentaclorofenol y su sal de sodio, los cuales se adicionan como
preservativos de la pulpa.
7.1.3. INDUSTRIA METALURGIA
75
-
Otra fuente responsable de la contaminacin del agua es la industria
metalrgica. Cada etapa de esta industria atenta contra el ambiente, desde
la minera hasta el cubrimiento de los metales en los procesos de terminado
y electroplatinacin. Estos efluentes industriales son especialmente
problemticos porque no son solamente altamente cidos (0.5 al 10 % de
HCl) sino que tambin son ricos en hierro (12 %) y otros minerales
pesados (Tabla No. 7). Los efluentes del platinado pueden contener altos
niveles de cianuro, afortunadamente este veneno mortal no
es muy pesistente en el ambiente. Puesto que el cianuro mata las bacterias
necesarias para el tratamiento de lodos activados, muchas municipalidades
han establecido restricciones sobre sus descarga.
Para el tratamiento del cianuro se tiene varios mtodos disponibles
incluyendo la oxidacin de cianato por cloracin alcalina, oxidacin
electroltica, oxidacin como H2O2 y precipitacin de metales,
ozonolizacin, intercambio inico y an la radiacin. Otros contaminantes
del terminado y pulimiento de metales incluyen fosfatos, fenoles y aceites.
7.1.4. DRENAJE DE ACIDO DE MINAS
Todo tipo de actividad minera que exponga a la atmsfera minerales
enlazados al azufre, permite la oxidacin del material crudo, siendo el
drenaje cido de minas su consecuencia. La minera del carbn es
considerada la principal contaminante debido a que involucra grandes
cantidades de material crudo. La llamada crisis energtica ha empeorado
76
-
el problema que se origina no solamente en minas operando sino tambin
abandonadas ya sean superficiales o profundas.
La pirita es encontrada a menudo en ntima asociacin con depsitos
carbonferos; expuesta a la humedad y al oxgeno atmsferico puede ser
oxidada perdiendo un electrn:
Fe+2 Fe+3 + 1 e-
Esta oxidacin es la etapa que controla toda la secuencia de reacciones
involucradas. Las bacterias como las del grupo acidoflicas Thiobacillus -
Ferrobacillus pueden utilizar la energa representada por la liberacin del
electrn, como su demanda nutricional para la reduccin de CO2 en el
nuevo material celular. Aunque la oxidacin del Fe (II) puede llevarse a
cabo en su ausencia, el proceso es acelerado varios cientos de veces en
presencia de estas bacterias. La aireacin y el rea superficial expuesta de
la pirita son consideraciones importantes en determinar la velocidad del
proceso.
El in frrico producido puede entonces reaccionar con el sulfuro:
8 Fe+3 + S-2 + 4 H2O 8 Fe+2 + SO4= + 8 H+ ()
o con agua:
Fe+3 + 3 H2O Fe(OH)3 + 3 H+ ()
77
-
Ambas reacciones producen cido y la acidificacin puede dar lugar a la
oxidacin microbitica de compuestos de sulfuro reducidos. El Fe (II)
producido en la ecuacin () puede ser usado de nuevo como fuente de
energa para las baterias mientras el hidrxido frrico precipitado en la
reaccin () es responsable de todo el tinte caf de los ros contaminados.
La ecuacin global del drenaje cido de minas provenientes de la pirita
puede representarse:
2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O 4 SO4= + 2 Fe+2 + 4 H+
La excesiva sedimentacin est tambin asociada con este problema ya
que el agua altamente cida agrava la erosin.
7.1.5. DETERGENTES
La agricultura y la industria no son los nicos contaminantes del ambiente
acutico. Todos somos probablemente culpables tambin. Uno de los ms
fuertes contaminantes del agua y en gran cantidad de uso casero y de
lavanderas son los detergentes sintticos; especialmente los detergentes
fosforados. El tipo lifosfato de sodio cubre cerca del 40 % de muchos
detergentes. El fosfato como se ha visto es la mayor causa cultural de la
eutroficacin de aguas superficiales.
78
-
Se ha estimado que en los estados unidos entran 109 Kg de fosfato al ao a
sus aguas y esta cantidad corresponde al 30 - 40 % del fosfato total que
entra al ambiente acutico. El fosfato no es el nico problema asociado con
los detergentes. La espuma y su persistencia son otros. Las legislaciones
actuales han probado como efectivo el sugerir a las industrias productoras
de detergentes sustituir por alquil sulfatos lineales biodegradables (LAS)
los alquilbenceno sulfonados (ABS) que estn siendo depositados en las
alcantarillas y cubren las corrientes con espuma y se acumulan en suelos y
sedimentos.
C C C
C-C-C-C-C- C-C-C- OSO3-
C
Alquilbenceno Sulfonato (ABS)
C C C
C-C-C-C-C- C-C-C- OSO3-
C
Alquilbenceno Sulfonato Lineal (LAS)
79
-
7.1.6. RESIDUOS
Todos los organismos producen desechos metablicos. En el caso de
animales, estos desechos a menudo contienen materiales dainos a la salud
a los organismos que lo generan y deben ser fisicamente removidos de
ellos. El hombre no es la excepcin. As como el hombre primitivo fue
nmada y continu sus migraciones, sus desechos fueron quedando atrs.
Pero cuando el lleg a ser prisionero de su tierra, un cultivador de granos,
un cuidandero de animales, un cultivador de cosechas inmovilizado en un
solo lugar, un constructor y morador en ciudades y pueblos permanente,
entonces un serio problema de disposicin de residuos trajo consigo. El
crecimiento de grandes ciudades alrededor de los ros no es una historia
accidental; las aguas de los ros suministraron agua para el transporte,
bebida, para cocinar y lavar, para agricultura e igualmente importante para
desechar.
La tabla No. 9 resume la composicin tpica de las aguas residuales
domsticas y la tabla No. 10 muestra los efectos y niveles crticos de
contaminantes presentes en las aguas residuales.
TABLA No. 9. COMPOSICIN TPICA DE UN AGUA RESIDUAL DOMSTICA.
CONCENTRACION CONCENTRACION CONCENTRACION
80
-
CONSTITUYENTE ALTA MEDIA BAJASlidos Totales
DisueltosTotalesFijosVoltiles
SuspendidosTotalesFijosVoltiles
Sedimentables (mL/e)
Demanda Bioqumica de Oxgeno - DBO5
Demanda Qumica de Oxgeno - DQO
Nitrgeno (Total Comn)OrgnicoAmoniacalNitritosNitratos
Fsforo (Total Comn)OrgnicoInorgnico
Cloruros
Alcalinidad (como CaCO3)
Grasas
1200
850525325
35075275
20
300
1000
85355000
201525
100
200
150
700
500300200
20050150
10
200
500
40152500
1037
50
100
100
350
250145105
1003070
5
100
250
2081200
624
30
50
50
81
-
TABLA No.10. Compuestos Tpicos que pueden encontrarse en Aguas Residuales y sus efectos
COMPUESTO EFECTOCONCENTRACION
CRITICA (mg/L)ORGANICOS
DDT
CLORURO DE HEXANO
PETROQUIMICAS
COMPUESTOS FENOLICOS
SURFACTANTES
Txico a peces y otras especies acuticas
Puede causar problemas de olor y sabor en el agua
Pueden causar problemas de olor y sabor en el agua
Pueden causar problemas de olor y sabor en el agua
Causa espumas e interfases en la coagulacin
0.001
0.02
0.005 - 0.01
0.0005 - 0.001
1.0 - 3.0INORGANICOS
AMONIACO
CALCIO Y MAGNESIO
CLORURO
MERCURIO
NITRATOS
FOSFATOS
SULFATOS
Incrementa la demanda de cloro.
Txico para los peces. Puede ser convertido a nitratos
Aumenta la dureza
Imparte sabor saladoInterfiere en el proceso
industrial
Txico para humanos y la vida acutica
Estimula el crecimiento de algas y vida acutica
Puede causar Metemoglobina en nios (Bebes azules)
Estimula el crecimiento de algas y vida acutica
Interfase con la coagulacinInterfase en el ablandamiento
Accin catartica
Cualquier cantidad2.5
Cualquier cantidad
> 100
250
75 - 200
0.005
0.3
10
0.30.2 - 0.4
0.3
600 - 1000
82
-
7.1.7. CONTAMINACION AGRICOLA
La produccin de alimentos afecta significativamente la biosfera de la
tierra y junto con la actividad agrcola impactan la qumica de nuestro
ambiente por los siguientes medios:
1. Disposicin de desechos animales
2. Disposicin de desechos vegetales
3. Disposicin de residuos de procesamiento de alimentos
4. Contaminacin por la aplicacin de pesticidas
5. Contaminacin por la aplicacin de fertilizantes
6. Disminucin de nutrientes y fertilizantes naturales del suelo
7. Acumulacin de sales y minerales por irrigacin
Adems la agricultura afecta el uso del suelo y del agua y juega un papel
importante en la erosin y sedimentacin. Poca gente parece darse cuenta
de la relativa magnitud del problema de la agricultura. En el rea de la
baha de San Francisco se encontr que en 1966 los residuos slidos
provenientes de la ganadera y productos afines aumentaron a 1386.460
toneladas. Otros productos agrcolas 942014 toneladas, procesamiento de
alimentos 678712 toneladas. Mientras que qumicos y productos aplicados
115312 toneladas, papel y productos afines 131280 toneladas.
En los Estados Unidos hace pocos aos, 49000.000 de ganado,
57000.000 de aves, 21000.000 de ovejas y 3000000.000 de cerdos
produjeron 2000000.000 toneladas de desecho por ao equivalentes a una
83
-
poblacin humana 2000000.000 de personas. Como podemos observar
este problema empeora cada ao.
La tabla No. 11 nos da las cargas contaminantes estimadas para industrias
agrcolas y de produccin de materiales de consumo diario.
7.2. PESTICIDAS Y OTROS CONTAMINANTES PERSISTENTES
Por varios aos uno de los contaminantes ambientales de mayor publicidad
han sido los pesticidas. Los pesticidas o plaguicidas incluyen, no