CAPITULO III

METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN

3.1. Para la caracterizacin fisicoqumica de los Lodos3.1.1. Origen y caractersticas de los Lodos de partidaLos lodos constituyen la materia prima para la obtencin de los adsorbentes. Se ha empleado lodos procedentes de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de El Espinar localizada en Puno Per, a una altitud de los 3.850 msnm. Geogrficamente est ubicada en las siguientes coordenadas: 16610S 693622O. Los lodos procedentes de la PTAR de El Espinar, que trata las aguas residuales de la ciudad de Puno no son sometidos a ningn tratamiento, para la obtencin de adsorbentes han sido sometidos a un secado al sol y posteriormente secados trmicamente en una estufa. En la figura N 3.1 se presenta el diagrama de flujo de dicha planta:Laguna FacultativaLaguna AnaerobiaAgua Residual

DesbasteDesarenadorLODOS

AGUA TRATADA

Figura N3.1: Diagrama de flujo de la Planta de Tratamiento de Agua Residuales de El Espinar 3.1.2. Materiales y Equipos, Reactivos3.1.2.1. Materia Experimental 1 Kg de lodo

3.1.2.2. Materiales y Equipos Vasos de precipitado de 50 ml Desecador Capsulas de porcelana Probeta de 50 ml Matraz Erlenmeyer de 250 ml y 500 ml Pipeta de 1ml, 5 ml y 10 ml Varilla de vidrio Esptula Crisoles de porcelana Bureta de 50 ml Soporte Universal Pinzas Papel Aluminio Balones de micro Kjeldahl de 100 ml Conductivimetro HANNA Instruments HI 933000 Estufa VWR International Shel Lab Modelo N1300U-2 Mufla Furnace Barnstead Internacional Modelo N FB 1410M-26 Potencimetro Fisher Science Education PEN S96275A Balanza elctrica Metler Toledo AB 204 Espectrofotmetro UNICO 2802 UV/VIS Modelo SQ 2802E

3.1.2.3. Reactivos Solucin buffer de pH 4.7 y 10 para calibrar el potencimetro Agua destilada Solucin de Dicromato de Potasio [1N] Solucin de cido Sulfrico concentrado y [0.02N] Solucin de cido Fosfrico Indicador de Difenil Solucin de Sulfato Ferroso Amoniacal [0.5 N] Solucin de cido Brico Solucin de Hidrxido de Sodio [4N] Indicador de Purpurato de amonio Solucin de EDTA [0.01N] Solucin de Acetato de Sodio Solucin de Clorhidrato de Hidroxilamina al 10% Solucin de Ortofenantrolina al 0.1% Solucin de Metevanato de Amonio [0.1N]

3.1.3. Mtodos Experimental Parmetros Analizados y Mtodos Analticos La metodologa usada para las evaluaciones de calidad de los Lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de El Espinar fueron las siguientes: Determinacin de pH (Mtodo Electromtrico).Transferir 10 gramos de muestra a un vaso de precipitado, mezclar mediante el uso de una varilla y dejar en reposo 10 a 15 minutos. Calibrar el potencimetro usando soluciones buffer de pH 7 e introducir los electrodos en los lodos, finalmente esperar 30 segundos y registrar el valor del pH en la escala. Lavar los electrodos y secar con papel filtro despus de cada lectura.

Determinacin de la Conductividad Elctrica (Determinacin por Conductivimetra)Colocar en una probeta de 50 ml la muestra de lodos necesarios para llenarla. Agitar por 5 minutos, y luego leer la conductividad elctrica por medio de un conductivimetro en mS/cm.

Determinacin del contenido de Humedad (Mtodo de pesado y secado)Pesar la capsula de porcelana y transferir 10 gramos de la muestra de lodos hmedos. Colocar la capsula que contiene la muestra, a la estufa y secar a 105C por 24 horas, finalmente, enfriar en el desecador, para luego pesar la muestra seca. El contenido de humedad se expresa:

Determinacin de Materia Orgnica (Mtodo Walkley-Black Modificado)Pesar 10 gramos de lodos y colocarlo en un matraz Erlenmeyer de 500 ml. Adicionar 10 ml de K2Cr2O7 [1N] y agitar vigorosamente con una varilla. Luego adicionar 20 ml de H2SO4 concentrado, agitar manualmente y reposar por 30 minutos. Se diluye la disolucin a 200 ml con agua destilada. Agregar 10 ml de H3PO4 y 5 gotas del indicador de difenil. Finalmente, titular con Sulfato Ferroso Amoniacal [0.5 N]. El contenido de materia orgnica se calcula con:

Determinacin del Material Voltil (Calcinacin en mufla)Pesar aproximadamente 10 gramos de muestra de lodos, colocar en los crisoles e introducir en la mufla a una temperatura de 550C durante 2 horas. Transcurrido el tiempo, los crisoles se dejaron enfriar en un desecador, para luego pesar y medir los resultados, con la ayuda de la siguiente formula:

Determinacin de Cenizas (Calcinacin en mufla)Se colocaron los crisoles y las muestras utilizadas en el anlisis de material voltil, se colocaron a una temperatura de 550C durante 3 horas. Luego se coloc los crisoles en un desecador, pasado este tiempo se procedi a pesar. Este contenido se expresa bajo la siguiente formula:

Determinacin de Carbono Fijo (Calcinacin en mufla)Para la determinacin de Carbono Fijo en la muestra de lodos se empleara la siguiente formula:

Determinacin del Nitrgeno Total (Mtodo Kjeldahl)Colocar 1 gramo de muestra en un baln micro-Kjeldahl y adicionar 1 gramo de catalizador y 3 ml de H2SO4. Calentar en la unidad de digestin hasta que la muestra sea clara (eliminacin de C), luego dejar enfriar y adicionar agua para dar volumen. Llevar a destilacin en presencia de soda y calor. Recibir el destilado en 10 ml de cido brico que contiene el indicador. El tiempo de destilacin vara de 3 a 5 minutos. Finalmente, titular el destilado con H2SO4 [0.02N] y el contenido de Nitrgeno Total se calcula con:

Determinacin de Calcio (Titulacin con EDTA)Se coloca 10 ml de muestra en un matraz Erlenmeyer de 250 ml. Se agrega 10 gotas de hidrxido de sodio 4N y aproximadamente 50 mg de indicador de Purpurato de amonio. Luego se titula con el EDTA [0.01N] y el contenido de Nitrgeno Total se calcula con:

Determinacin de Fosforo Total (Mtodo de Espectrofotometra)Se pesaron 2 gramos de las muestras utilizadas en el anlisis de cenizas, aadir 10 ml de solucin de Metevanato de Amonio [0.1N], aforar a 100 ml con agua destilada y luego homogenizar. Esperar 10 minutos y leer la absorbancia a una longitud de onda de 510 nm en el espectrofotmetro.

Determinacin de Hierro (Mtodo de Espectrofotometra)Se pesaron 2 gramos de las muestras utilizadas en el anlisis de cenizas y aforar a 100 ml con agua destilada, de los cuales se toma 10 ml, se aade 5 ml de solucin reguladora de Acetato de Sodio, luego 5 ml de Clorhidrato de Hidroxilamina al 10%, finalmente se aade 5 ml de solucin de Ortofenantrolina al 0.1% y aforar a 100 ml con agua destilada. Esperar 15 minutos y leer la absorbancia a una longitud de onda de 510 nm en el espectrofotmetro.

3.2. Para la Obtencin de los Adsorbentes3.2.1. Materiales y Equipos, Reactivos3.2.1.1. Materia Experimental 5 Kg de Lodos

3.2.1.2. Materiales y Equipos Cpsulas de porcelana Crisoles de porcelana Papel Aluminio Mortero con pistillo Esptula Vasos de precipitado de 50 ml Desecador Matraz Erlenmeyer de 100 ml Pipeta de 1ml, 5 ml y 10 ml Varilla de vidrio Soporte Universal Pinzas Estufa VWR International Shel Lab Modelo N1300U-2 Mufla Furnace Barnstead Internacional Modelo N FB 1410M-26 Potencimetro Fisher Science Education PEN S96275A Balanza elctrica Metler Toledo AB 204

3.2.1.3. Reactivos Hidrxido de Sodio Solucin de cido Clorhdrico [1,3 y 5N] Agua Destilada

3.2.2. Mtodo de preparacin del material adsorbenteLa metodologa usada para la preparacin del material adsorbente a partir de lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de El Espinar fueron las siguientes: 3.2.2.1. Secado al solLas muestras de 5 Kg de lodo fueron secadas al sol por 10 das, a una temperatura ambiente entre 15 a 20C. Este proceso fue realizado en un ambiente no expuesto a otros factores climatolgicos.3.2.2.2. Secado en EstufaLas muestras secados al sol fueron colocadas en capsulas de porcelana y secadas en una estufa a una temperatura de 105C, hasta peso constante. La finalidad de esta etapa es permitir la incorporacin del agente activante en el interior de la partcula.3.2.2.3. PirolisisPara la etapa de pirolisis se emple una mufla, donde las muestras secas se colocaron en crisoles tapados con papel aluminio y carbonizados a una temperatura de 700C por 30 minutos. Transcurrido dicho tiempo se ha dejado enfriar en un desecador de vidrio hasta temperatura ambiente. Este proceso incrementa el contenido de cenizas, debido a la volatilizacin parcial de la materia orgnica, al mismo tiempo que produce un cierto desarrollo de la porosidad e incrementa significativamente el carcter bsico del material. 3.2.2.4. Activacin Qumica Se pesaron 50 gramos de precursor pirolizado los cuales fueron activados qumicamente con NaOH mediante Mezcla Fsica Triturada (MFt). Donde las lentejas de NaOH se trituraron con ayuda de un mortero con pistillo, usando una razn de activacin [masa de activante (g): masa de precursor (g)], esta operacin se realiz a temperatura ambiente. Las muestras activadas fueron colocadas en crisoles y tapadas con papel aluminio, para ser colocados en una mufla. Las condiciones de operacin fueron a diferentes temperaturas entre 500 - 700C a una hora. Este procedimiento se describe en la tabla N3.1La eleccin de este rango de temperatura se hizo en base a los trabajos reportados por Medina L.F. (1998) quien estableci que en un proceso de activacin qumica de lodos, la degradacin de este se produce en un rango de temperatura entre 200-800C, proceso conocido como carbonizacin, donde muchas impurezas son removidas como H20(g), CO(g), CO2(g), CH4(g) y otras especies qumicas, hay una ligera disminucin del peso es lo que se asocia con la prdida del material superficial con formacin de la estructura porosa del carbn.Tabla N 3.1: Condiciones de activacin de los AdsorbentesRazn de Activacin/Temperatura (C)Razn de activacinNaOH (g): precursor (g)Temperatura de Carbonizacin (C)

R-1:1/5001:1500

R-1:1/6001:1600

R-1:1/7001:1700

R-2:1/5002:1500

R-2:1/6002:1600

R-2:1/7002:1700

R-3:1/5003:1500

R-3:1/6003:1600

R-3:1/7003:1700

Fuente: Elaboracin propia3.2.2.5. Lavado y SecadoEl producto obtenido en la activacin, se lav en primer lugar con una solucin de cido Clorhdrico [5M]. El lavado se repetido hasta ausencia de color en las aguas de lavado y a continuacin se ha llevado a cabo un lavado con agua destilada hasta obtener un pH constante. El primer lavado se realiza para eliminar la materia mineral residual y los productos derivados de la activacin qumica, mientras que en el segundo se eliminan los posibles restos de cido.Luego, el producto lavado se sec en la estufa elctrica a una temperatura de 100C por 24 horas, enfriado en un desecador hasta temperatura ambiente y despus el absorbente obtenido fue pulverizado en un mortero con pistillo hasta un tamao uniforme.

Activacin Qumica

Secado en EstufaMateria PrimaLodos 5 Kg

Deshidratacin al sol PirolisisLavado y Secado

Producto Final (Adsorbentes)t = 10 dasTamb entre 15 a 20C

T = 105CHasta peso constanteT = 700C, t = 30 min

Lavado: HCl [5M] y Agua destilada Secado: T=100C, t=24 h

50 g, g precursor: g NaOH (1:1, 1:2, 1:3)Carbonizacin: T entre 500-700C, t=1h

Figura N3.2: Diagrama de flujo cualitativo del proceso de obtencin de adsorbentes a partir de lodos de depuradora

3.3. Para la caracterizacin de los Adsorbentes3.3.1. Materiales y Equipos, Reactivos

3.3.1.1. Materia Experimental 100 g de Adsorbente

3.3.1.2. Materiales y Equipos Cpsulas de porcelana Crisoles de porcelana Papel Aluminio Matraz Erlenmeyer de 125 ml y 250 ml Pipetas volumtricas de 10 ml, 25 ml y 50 ml Pinzas Bureta de 50 ml Papel filtro Embudo de tallo corto Esptula Soporte universal Vaso de precipitado de 50 ml Probeta de 10 ml Desecador Agitador Magnetico Potencimetro Fisher Science Education PEN S96275A Balanza elctrica Metler Toledo AB 204 Estufa VWR International Shel Lab Modelo N1300U-2 Hornilla Elctrica Ingenieurburo CAT M. Typ M6.1 Mufla 1400 Furnace Barnstead Internacional Modelo N FB 1410M-26

3.3.1.3. Reactivos Solucin buffer de pH 4.7 y 10 para calibrar el potencimetro Agua destilada Solucin de cido clorhdrico 5% en peso Solucin de Yodo [0.1N] Solucin de Tiosulfato de sodio [0.1N] Solucin de Yodato de potasio [0.1N] Solucin de Indicador de Almidn Solucin de Azul de Metileno

3.3.2. Tcnicas Experimentales de caracterizacinLa metodologa usada para las evaluaciones de calidad de adsorbente obtenido a partir de lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de El Espinar fueron las siguientes: Determinacin del pH en el adsorbente, segn la Norma NTP 207.025 -81Se pes aproximadamente 1 gramo de adsorbente. Luego se transfiri el adsobente a un vaso de precipitado de 50 ml y se aadi 25 ml de agua destilada. Previamente el agua destilada se calent a 80C y se trat de mantener a temperatura constante. Se filtr en agua caliente y se procedi tomar la lectura de pH.

Determinacin del rendimiento, segn la norma NTP 207.025 -81El rendimiento se calcul tomando en cuenta la relacin entre la cantidad que se obtiene a partir de lodos y la materia prima utilizada, esta relacin es expresada en porcentaje con la siguiente formula:

Determinacin de la Densidad Aparente, segn el mtodo ASTM D 2854-1989En una probeta de 10 ml 1 se introdujo la cantidad de carbn seco suficiente para llenarla hasta la ltima graduacin. A continuacin, se golpe repetidas veces la probeta de forma que el volumen ocupado por el carbn fue disminuyendo hasta mantenerse constante. Se midi este y se pes el carbn. Este procedimiento se repiti tres veces. La densidad aparente del carbn se calcul como sigue:

Contenido de Humedad, segn la Norma ASTM D-1762Se pes casi 1 gramo de adsorbente y se coloc en un crisol. Luego el crisol se coloc en una estufa a 105C durante tres horas. Pasado este tiempo se dej enfriar el crisol que contena la muestra en un desecador y se procedi a pesar. El contenido de humedad se expresa en porcentaje:

Contenido de Material Voltil, segn la Norma ASTM D-1762Previamente se calent la mufla a 925C. Los crisoles se colocaron sobre la puerta de la mufla, durante 5 minutos para precalentado. Pasado los 5 minutos se coloc la muestra al interior de la mufla durante 90 minutos. Transcurrido el tiempo, el crisol se dej enfriar en un desecador hasta enfriar, para luego pesar el crisol y medir los resultados, con la ayuda de la siguiente formula:

Contenido de Cenizas, segn la Norma ASTM D-1762Se colocaron los crisoles y las muestras utilizadas en el anlisis de material voltil, se colocaron a una temperatura de 750C durante 90 minutos. Luego se coloc los crisoles en un desecador durante 90 minutos, pasado este tiempo se procedi a pesar. Este contenido se expresa bajo la siguiente formula:

Contenido de Carbono, segn la Norma ASTM D-1762El contenido de cenizas se calcula con la expresin:

ndice de Yodo, , segn la Norma ASTM D-1762Pesar 0.7 gramos de adsorbente y colocarlo en un Matraz Erlenmeyer de 250 ml, pipetear 5 ml de HCl al 5% en peso dentro del matraz. Agitar cuidadosamente la muestra y llevar a ebullicin la muestra durante 30 segundos y enfriar a temperatura ambiente Tomar 50 ml de la solucin de yodo 0.1 N en el matraz y agitar vigorosamente durante 30 segundos, despus filtrar rpidamente por gravedad a travs de papel filtro. Pipetear 25 ml del filtrado en un matraz Erlenmeyer de 250 ml y titular con tiosulfato de sodio 0.1 N, adicionando unas gotas de indicador de almidn. El ndice de Yodo se calculara con la siguiente expresin:

Azul de Metileno, segn la Norma UNE-EN 933-9:1999Colocar 10 g de muestra en un vaso de precipitado, adicionar 30 ml de agua destilada y batir con el agitador hasta tener una lechada. Agregar con la bureta 0.5 ml de solucin de Azul de Metileno y agitar durante un minuto. Sacar con la varilla una gota y dejarla caer sobre el papel filtro. Se observa la gota en el papel filtro. Si no se ha formado alrededor de la gota un anillo azul, se contina el ensayo adicionando 0.5 ml de solucin de Azul de Metileno, agitando durante un minuto para cada incremento y realizando de nuevo la prueba en el papel filtro hasta que se observe el aro azul alrededor de la gota. El clculo se realiza con la expresin:

Conociendo el valor del volumen de micro-mesoporos en la muestra de adsorbente, y empleando el modelo de Brunauer Emmett Teller (BET) encontramos el rea superficial especifica mediante la siguiente ecuacin:

Dnde:SBET = rea superficial especifica por gramo de muestra (m2/g)AN2 = rea que ocupa la molcula de adsorbato, en este caso 16.2 .NA = Numero de Avogadro igual a 6.023*1023.Nm = Cantidad de molculas adsorbidas formando una monocapa por gramo de muestra.

3.4. Para la aplicacin del material adsorbente en la eliminacin de H2S y NH33.4.1. Materiales y Equipos, Reactivos

3.4.1.1. Materia Experimental 100 g de Adsorbente

3.4.1.2. Reactivos Agua destilada Solucin de H2S Solucin de NH3

3.4.1.3. Materiales y EquiposEl dispositivo de laboratorio empleado para los ensayos de H2S y NH3 es de adsorcin de lecho fijo, cuyo esquema se muestra en la figura siguiente:

Figura N3.3: Diagrama de flujo del dispositivo de laboratorio empleado para la adsorcinLas condiciones experimentales del equipo son descritas a continuacin: Sistema de alimentacin: La alimentacin a la columna se ha obtenido mezclando las cantidades apropiadas de PbS y HCl procedente del uso de jeringas que medirn la cantidad que entrara al dispositivo de adsorcin.

Sistema de reaccin: La reaccin se da en un dispositivo de lecho fijo en sentido ascendente, al calentar la mezcla de la alimentacin. El sistema de reaccin cuenta con una columna de 1 cm de dimetro en cuyo interior se coloc una altura aproximada de 15 mm.

Sistema analtico de medida: La determinacin de la concentracin de H2S y NH3 se ha realizado con el equipo de deteccin de gases MultiLog Pro Versin 9.6S equipado con sensores para determinar las concentraciones de H2S y NH3.

3.4.2. Mtodo para el proceso de AdsorcinLa metodologa usada para el proceso de adsorcin con material adsorbente a partir de lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de El Espinar fueron las siguientes: 1. En el dispositivo de adsorcin armado, se puso aproximadamente 5 cm de adsorbente en la columna para cada una de las pruebas realizadas.2. Para la evaluacin de la concentracin de H2S se mezcl 20 g de PbS con 20 ml de HCl. En el caso de NH3 se coloc 40 g de la muestra de amoniaco.3. Se coloc ambas sustancias a calor mediante una hornilla para poder acelerar el proceso el desprendimiento de gases.4. Se tom datos de las concentraciones iniciales y finales del desprendimiento de gases con la variacin del tiempo para lograr conocer la capacidad de adsorcin de los contaminantes. La recoleccin de datos se realiz con el equipo de deteccin de gases MultiLog Pro Versin 9.6S equipado con sensores para determinar las concentraciones de H2S y NH3. 5. La prueba de laboratorio se detuvo cuando exista la saturacin del adsorbente que se dio con la mnima variacin en las concentraciones iniciales y finales.6. El proceso se repiti con cada uno de los adsorbentes obtenidos.

3.4.3. Diseo Experimental para la Adsorcin en la eliminacin de H2S y NH3El Diseo Experimental es la tcnica ms empleada en la investigacin experimental, se plantea con el objetivo de reducir el nmero de experiencias para obtener los mejores resultados en una investigacin. Al plantear el diseo experimental lo que en realidad se hace es generar cambios deliberados en las variables de entrada en el proceso experimental con el fin de observar cual es el cambio en las variables de salida.El diseo experimental aplicado est basado en la estadstica inferencial, que pretende predecir una informacin acerca de un conjunto de datos, a partir de los resultados extrados de un subconjunto de ellos. Los pasos a seguir para realizar la investigacin estadstica seran los siguientes:

El proceso del diseo experimental realizado, en base a los resultados hallados, han sido estudiados estadsticamente dando como resultado un modelo estadstico, el ms adecuado y en base a las variables de estudio el cual refleja en sus resultados obtenidos el proceso experimental del proyecto realizado.

3.4.3.1. Determinacin de los parmetros y rangosEl proceso de adsorcin para la eliminacin de H2S y NH3 con los adsorbentes obtenidos a partir de los lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de El Espinar, considera las siguientes variables como constantes:

Masa y altura de adsorbente en 15 mm. Concentracin efectiva de la solucin inicial de 1000 ppmv de H2S y 5000 ppmv de NH3. Tamao de partcula de los adsorbentes Malla 50

Las variables a estudiar influyen en la variable respuesta. El proceso de estas variables es identificar las condiciones de operacin de los adsorbentes a partir de lodos para encontrar una mayor capacidad de adsorcin. Las variables elegidas que podemos controlar son: TiempoEl tiempo en que entra en contacto TemperaturaLa temperatura es un parmetro importante para el proceso de adsorcin

3.4.3.2. jkbhbv