eliminaciÓn de arsÉnico de agua por … · además de una mezcla de 50 ml de la solución al 0.5%...

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Premio Junior del Agua. Estocolmo 2010

1. Título de la Investigación

ELIMINACIÓN DE ARSÉNICO DE AGUA POR ADSORCIÓN CON ZEOLITA NATURAL

ACONDICIONADA

2. Resumen

Se emplea el medio adsorbente mineral zeolita, para remover arsénico de agua. Se acondicionó zeolita

natural (tipo mordenita y clinoptilolita) proveniente de yacimientos de Lloimávida, VII Región del

Maule, Chile. El acondicionamiento se realiza recubriéndolo con óxido de hierro (III), formado a partir de

dos métodos de tratamiento: uno con solución cloruro de hierro (III) y otro con sulfato de hierro (II).

3. Establecimiento

Colegio Almendral

Estados Unidos 9010

La Florida. Región Metropolitana

Fono: 2812205 Fax: 2917178

www.colegioalmendral.cl

Colegio Almendral “Eliminación de arsénico de agua por adsorción...”

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4. Participantes

Nombre: Eduardo Alejandro Sepúlveda Sepúlveda RUT: 18.676.382-3 Fecha Nacimiento: 01-10-1994 Establecimiento Educacional: Colegio Almendral Curso: 2° Año Medio Dirección Establecimiento: EE. UU. 9010. La Florida Teléfono: 2812205 Dirección Particular: Antofagasta 8885 Comuna: La Florida Región: RM Teléfono: 2874057 Celular: 97510468 e-mail: [email protected]

Nombre: Pascal Belén Hermosilla Oñate RUT: 17.838.646-8 Fecha Nacimiento: 01-08-1991 Establecimiento Educacional: Colegio Almendral Curso: 3° Año Medio Dirección Establecimiento: EE. UU. 9010. La Florida Teléfono: 2812205 Dirección Particular: San Vicente de Paul 5147 Comuna: Macul Región: RM Teléfono: 9822168 Celular: 85098102 e-mail: [email protected]

5. Profesor/a Guía

Nombre: Alejandro Alfonso Frutos Comparetto RUT: 14748585-9 Especialidad: Química Establecimiento Educacional: Colegio Almendral Dirección Establecimiento: Estados Unidos 9010. La Florida Dirección Particular: El Olivo 1680. Conchalí Teléfono Particular: 7344334 Celular: 95808362 E-mail: [email protected]

6. Asesor/a Científico/a Externo/a

Nombre: Angello Villena Rodríguez RUT: 13.915.806-7 Especialidad: Ingeniero en Química – Profesor ETP Institución: Colegio Almendral e Instituto Profesional Esucomex

Cargo: Jefe de UTP, Docente de Ingeniería y ex Coordinador de Carreras de Ingenierías Universidad Bolivariana.

Dirección Institución: Estados Unidos 9010. La Florida y Ejercito 119. Dirección Particular: Av. Brisas del Maipo 0571 dpto. 422 Comuna: La Cisterna Región: Metropolitana Teléfono: (2) 5591864 Celular: 90710271 E-mail: [email protected] Declaración de Asesoría otorgada:

Asesoría en el proceso de purificación y de Ingeniería, además de la Evaluación y corrección de la investigación.


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7. Introducción

Las zeolitas son aluminosilicatos formados por redes cristalinas tridimensionales compuestas de tetraedros

del tipo TO4 (T corresponde a: Si, Al, B, Ge, Fe y Co, entre otros) unidos en los vértices por un átomo de

oxígeno. En la Fig. 1 se presenta las unidades estructurales básicas y en Tabla 1 los principales tipos de

zeolitas naturales.

Fig. 1. Unidades estructurales básicas de zeolitas

a. Tetraedro con átomo de Si en el centro y oxígenos en los vértices

b. Tetraedro con átomo de Al en el centro y un

catión monovalente

c. Cadena múltiple de tetraedros, cationes bivalentes cada dos centros de Al

Tabla 1. Principales tipos de zeolitas naturales

Nombre Fórmula Química Laumontita Ca Al2Si4O12.4H2O Clinoptilolita (Na, K, Ca)2-3Al3(Al,Si)2Si13O36.12 H2O Stilbita Na Ca2Al5Si13O36.14H2O Phillipsita (K,Na,Ca)1-2 (Si,Al)8.O16.6H2O Heroinita (K2,Ca,Na2)2Al4Si14O36.15H2O Ofertita (K2,Ca)5Al10Si26O72.30H2O Faujazita (Na2Ca)Al2Si4O12.8H2O Chabazita Ca Al2Si4O12.6H2O Natrolita Na2Al2Si3O10.2H2O Thomsonita Na Ca2Al5Si5O20.6H2O Mordenita (Ca, Na2, K2)Al2Si10O24.7H2O Epistilbita CaAl2Si6O16.5H2O


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Analcima Na,AlSi2O6.H2O Heulandita (Na,Ca)2-3Al3(Al,Si)2Si13O36.12H2O

Las zeolitas naturales tienen propiedades de porosidad, adsorción e intercambio iónico. La porosidad se

refiere, a que las zeolitas están formadas por canales, cavidades regulares y uniformes de diámetros de

dimensiones moléculares (3 a 10 nm), haciendo que las zeolitas presenten una superficie interna mayor

respecto a la externa. La adsorción es un fenómeno superficial. La alta eficiencia de adsorción de las

zeolitas está relacionada a que la superficie interna que esta posee, hace que los átomos que se encuentran

en la superficie, no tienen las fuerzas de cohesión compensadas, como ocurre en los átomos situados en el

seno del sólido. La propiedad de intercambio iónico que presentan las zeolitas es característica de otros

silicatos cristalinos como arcillas y feldespatos. Está directamente relacionada con el Aluminio presente

en la red zeolítica.

El Arsénico (As) es el contaminante ambiental más importante de la Región de Antofagasta, ya sea por su

origen natural o antropogénico, a causa de la explotación de la minería del cobre. Las concentraciones de

As en aire, agua y suelos de la región, tanto en ambientes comunitarios como laborales, sobrepasan

largamente en algunos casos, los límites permisibles normativos establecidos por la norma chilena

NCh409/1.Of.2005: 0.01 mg As /L de agua (Tabla 2).

Tabla 2. Arsénico en agua de algunos ríos del norte de Chile

Recurso Hídrico Rango de As (mg/L) Río Vilama 0.600-0.700 Río San Pedro 0.150-0.200 Río Silapeti 0.010-0.020 Río Toconce 0.600-0.900 Río Lequena 0.150-0.350 Río Colana 0.070-0.090 Río Inacaliri 0.080-0.090 Río Lluta 0.200-0.700 Río Lauca 0.300-0.400 Río San Pedro 0.400-0.500 Río San Salvador 2.00-2.50 Río Loa 1.50-2.50 Río Huayco <0.005 Río Copiapó <0.005

Fuente: Dirección General de Aguas


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La Norma Oficial Chilena NCh409/1.Of.2005 establece la concentración máxima permisible de arsénico

de 0.01 mg/L de agua potable. En agua, los estados de oxidación más comunes del arsénico corresponden

a As(V), como anión arseniato, y As(III), como anión arsenito. El As(V) prevalece sobre el As(III) en

aguas naturales superficiales.

La exposición crónica a través de la ingestión de agua contaminada con arsénico, ocasiona lesiones

cutáneas características tales como alteraciones de la pigmentación, hiperqueratosis palmoplantar y

papular. Cianosis y pérdida progresiva de la circulación en las extremidades, que puede dar lugar a la

gangrena de Reynud (mal del pie negro) y amputaciones. Además, el arsénico inorgánico se asocia con

cáncer de piel y de órganos internos cuando es ingerido, además de enfermedades neurológicas y

cardiovasculares.

8. Antecedentes investigaciones previas

Rodríguez Fuentes, G. y Rodríguez Iznaga, I., “Eliminación de metales tóxicos mediante zeolitas

naturales”, Laboratorio de Ingeniería de Zeolitas, IMRE Universidad de La Habana, 2002.

9. Hipótesis y Objetivos 9.1. Hipótesis

Zeolita natural acondicionada con óxido de hierro (III), permite reducir la concentración de arsénico en

agua, a una concentración menor a 0.01 mg/L.

9.2. Objetivo General

Evaluar la efectividad de las zeolitas naturales acondicionada en el proceso de eliminación del arsénico en

agua contaminada.

9.3. Objetivo Específico


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Reducir la concentración de arsénico en agua potable, a una concentración menor de 0.01 mg/L de agua,

por el método de filtración con zeolita natural acondicionada con óxido de hierro (III).

9.4. Interrogante investigativo

¿Es posible reducir la concentración de arsénico, a una concentración menor de 0.01 mg/L de agua, por el

método de filtración con zeolita natural acondicionada con óxido de hierro (III)?

10. Plan de Trabajo 10.1. Método de Investigación y/o Experimentación

10.1.1. Variables

Se estudiará la adsorción de arseniato de sodio en distintas concentraciones (variable dependiente) en

columna de zeolita acondicionada con óxido de hierro (III) de acuerdo al siguiente diseño experimental:

Muestra 1: solución de arseniato ácido de sodio 0.9 mg de As/L de solución



Muestra 4: blanco de agua bidestilada

Se evalúa la variable dependiente: concentración de arseniato en el fluido de la columna, por precipitación

con solución neutra de nitrato de plata.

10.1.2. Procedimientos

a) Origen de muestra de zeolita:

La zeolita utilizada proviene del yacimiento Lloimávida, Comuna de Parral, VII Región del Maule. Se

informa, su composición es una mezcla de los tipos de zeolita mordenita y clinoptilolita (Tabla 2).

b) Preparación de solución de cloruro de hierro (III) (0.5% M/V)


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Se disuelven 0.5g de cloruro de hierro (III) hexahidratado (FeCl3*6H2O) en agua destilada (270 g/mol),

para obtener 100 mL de solución.

c) Preparación de solución nitrato de plata (10% M/V)

No se contó con nitrato de plata y ni plata metálica para disolución nítrica, pero se dispuso de sulfato de

plata, de una síntesis anterior, como reactivo de partida. Se procedió agregando, gota a gota, sobre una

suspensión de 5g de sulfato de plata en 50 mL, solución de Sörensen (hidróxido de sodio 16M) para

precipitar hidróxido de plata café negruzco. Luego se disuelve completamente este sólido agregando gota

a gota ácido nítrico concentrado (63%) hasta neutralización verificada con papel indicador universal de

pH.

d) Acondicionamientos de zeolita

El acondicionamiento de zeolita se realizó por los siguientes métodos:

Método A: Consistió en precipitar óxido de hierro (III), calentando a 100°C, hasta casi su deshidratación,

además de una mezcla de 50 mL de la solución al 0.5% M/V de cloruro de hierro (III) (0.1% de hierro) y

50 g de zeolita. Se deja enfriar, el sobrenadante se almacena en un recipiente para un posterior

tratamiento, se lava con agua destilada y se deja secar a temperatura ambiente. Se muele el sólido seco

hasta obtener un polvo muy fino.

Método B: Se mezclan 50 g de zeolita con 100 mL de solución de sulfato ferroso al 5% M/V (1% de

hierro) y se deja en reposo, durante toda una noche a temperatura ambiental. Al día siguiente, se lava con

agua destilada, se filtra (papel filtro) y se aplica un proceso de molienda, hasta obtener como producto un

polvo fino.

e) Preparación de soluciones de Arsénico (V)

Se inició con una solución de arseniato ácido de sodio, elaborada por un Laboratorio Químico externo a la

institución. Esta solución madre de arseniato ácido de sodio, Na2HAsO4.7H2O (232 g/mol), formada por

0.9 mg de As por litro de solución, se realizó disolviendo 0.28g de la sal heptahidratada en agua destilada,

hasta un volumen final de 100 mL. Esta solución se rotula como Muestra 1.

De esta solución madre, se preparan diluciones para obtener la Muestra 2 y sucesivamente la Muestra 3,

de la siguiente manera:


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Muestra 2: Se miden en una probeta de 33 mL de la Muestra 1 y se completa en matraz aforado a 100 mL

de volumen final.

Muestra 3: Se miden en una probeta de 33 mL de la Muestra 2 y se completa en matraz aforado a 100 mL

de volumen final.

f) Preparación de las columnas de filtración

Se arman columnas de filtración con pipetas graduadas de 10 mL, obturando la punta con una algodón y

rellenándolas con 3 g de zeolita acondicionada. Se sostiene verticalmente las columnas con un soporte

universal (Fig. 2).

g) Filtración

Se agregan 10 mL de cada muestra en las respectivas columnas y se deja eluir durante 12 hs, como se

muestra en la Fig. 2. Se recoge el filtrado y se almacena para un posterior análisis. El esquema del montaje

de la columna y de la filtración se presenta a continuación en la Fig. 2.

Fig. 2. Esquema de Filtración

Soporte universal

Pipeta

Muestra As (V)

Zeolita + Fe2O3

Algodón

Eluido

Soporte de Bureta


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h) Determinación de As(V)

Con tiras de papel de indicador universal de pH se aproxima el pH del eluido. Si es ácido se ajusta con

gotas de hidróxido de sodio diluido (0.4 % M/V). Luego, a cada eluído se agregan gotas de solución

neutra de nitrato de plata al 10% M/V. La ausencia de precipitado blanco descarta presencia de As(V).

Así, si ante el agregado de nitrato de plata se observa precipitado blanco se atribuye en principio a

arseniato de plata (Ag3AsO4), como se muestra en la Ec. 1.

AsO43-

(ac) + 3AgNO3(ac) → Ag3AsO4(s) + 3NO3-(ac) Ec. 1

i) Cálculos

El arseniato de plata es un sólido blanco muy insoluble, su producto de solubilidad corresponde a KPS

Ag3AsO4= 1.03×10-23 M4.

Así es posible calcular cual es la concentración de anión arseniato necesaria para que se verifique la

precipitación mediante las siguientes consideraciones del equilibrio planteado en la Ec. 2.

Ag3AsO4(s) 3Ag+(ac) + AsO4

3-(ac) Ec. 2

Así en la Ec.2 se observa que, en el equilibrio, se obtienen 3 moles de catión plata(I) por cada mol de

anión arseniato, es decir que el KPS de arseniato de plata se podría escribir del siguiente modo:

KPS= [Ag+]3.[ AsO43-]=[3s]3.[ s]=27s4

Donde s es la solubilidad medida en términos de los iones comunes y entre corchetes se indican

concentraciones molares. Despejando se obtiene que:

s= (KPS/27)1/4

reemplazando KPS por 1.03×10-23 M4 (a 25ºC).


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s= (1.03×10-23 /27)1/4

s = 1.4×10-7 mol de AsO4-3/L

Si por cada mol de arseniato hay un mol de arsénico y la masa atómica de As es 75g/mol, se tiene que:

[As] = 1.4×10-7 mol/L . 75g/mol = 1.0 ×10-5g/L = 0.01 mg/L

Es decir que ante la no precipitación, concentración de arsénico debería ser menor a 0.01 mg de As/L.

En cambio, si ante el agregado de nitrato de plata se observa precipitado blanco, se atribuye en principio a

arseniato de plata (Ag3AsO4), como se muestra en la Reacción 1 y la concentración sería superior a 0.01

mg de As/L.

10.1.3. Normas de seguridad individual y colectiva utilizadas:

Como primera medida, los alumnos investigaron y se informaron sobre las características y toxicidad de

las sustancias que utilizarían, de forma de tomar conciencia de los riesgos que se corren y por lo tanto

realizar un trabajo donde el autocuidado y la seguridad colectiva resultó ser prioritaria. Bajo ningún

concepto se desecharon productos tóxicos al alcantarillado.

10.2. Materiales

• Zeolita natural pulverizada

• Arseniato ácido de sodio,

Na2HAsO4.7H2O.

• Cloruro de hierro (III), FeCl3.6H2O

• Sulfato de hierro (II), FeSO4.7H2O

• Solución de Sorensen (16 M de NaOH)

• Ácido nítrico, HNO3, al 63% M/M

• Sulfato de plata, Ag2SO4

• Soporte universal.

• Agarraderas.

• Balanza digital Sartorius (0.01g/div.)

• Vasos de precipitado.

• Matraz aforado de 500 mL.

• Probeta de 50mL (Apreciación

0.05mL/división).

• Mechero de alcohol.


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• Agua bidestilada comercial

• Pipetas aforada de 10 mL

• Trípode.

• Papel Indicador de pH (Tornasol).

11. Presentación de Resultados

Los resultados de los ensayos con nitrato de plata se muestran en la Tabla 3 a y b, para ambos tipos de

acondicionamientos.

Tabla 3. Resultados de precipitación con nitrato de plata

a. Acondicionamiento por método A

Agregado AgNO3 al 10% M/V Muestra

2 gotas 5 gotas 10 gotas

1 R R R

2 R R R

3 R R R

4 (blanco) R R R

b. Acondicionamiento por método B

Agregado AgNO3 al 10% M/V Muestra

2 gotas 5 gotas 10 gotas

1 NR NR NR

2 NR NR NR

3 NR NR NR

4 (blanco) NR NR NR R: Se evidencia precipitación o turbidez blanca NR: No se evidencia turbidez o precipitación

12. Análisis de los Resultados

Como se detalló anteriormente, la falta de precipitación se aproxima por si sola a la concentración de

As (V), ya que, el arseniato de plata es un sólido muy insoluble, KPS Ag3AsO4 = 1.03×10-23, es decir, que

ante la no precipitación, la concentración molar de arseniato debería ser menor a 1.4×10-7 mol/L

(s=(KPS/27)1/4), o sea, 1.4×10-7 mol/L de As, es decir, que la concentración de arsénico corresponde a 0.01

mg de As/L.


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En base a los resultados mostrados en la Tabla 3b, para el acondicionamiento por el método B

(sulfato ferroso), se produce una retención de arsénico alcanzando el objetivo propuesto y corroborando la

hipótesis.

Los resultados de la Tabla 3a, aparentemente en contradicción con los de la Tabla 3b, no se

atribuyen a un defecto filtrante de la zeolita acondicionada, sino al método de Determinación de anión

arseniato. Por limitaciones experimentales, se decidió utilizar un método cualitativo, con el cual se puede

extrapolar concentraciones de acuerdo al valor de la constante de producto de solubilidad (Ksp) del

arseniato de plata. Pero el catión plata, no es un reactivo específico para arseniato. Así, se atribuye la

precipitación del sólido blanco obtenido en el Método A, la formación de cloruro de plata producto del

tratamiento de acondicionamiento de la zeolita con cloruro férrico. Refuerza esta idea el hecho que el

blanco (agua bidestilada) también evidencie reacción.

Un problema experimental encontrado en este tipo de filtraciones es el tiempo de elusión. Si la

columna se halla muy compactada con zeolita finamente pulverizada el pasaje de apenas 100 mL de

muestra contaminada por una columna de 10 cm de diámetro y de 4 cm de altura puede demorar hasta 12

hs. en completarse. Así quedan pendientes experimentos con zeolitas de mayor granulometría, para

evidenciar su real eficacia en tiempo de elusión y capacidad de adsorción de arsénico.

Se proyectan experimentos a mayor escala para verificar los resultados obtenidos en este trabajo y

aumentando la concentración de contaminante. También se proyecta estudiar Métodos de Filtración a

presión atmosférica en papel de mezclas de zeolita con arsénico de distintos tiempos de contacto, pH y

cantidad de adsorbente; como también hacer Determinaciones Cuantitativas de As por Métodos Analíticos

estándar de los eluídos de las columnas de filtración.

13. Conclusiones En base a los resultados mostrados en la Tabla 2b, para el acondicionamiento por el método B

(sulfato ferroso), se puede concluir que se valida la hipótesis planteada inicialmente en relación a que es

posible reducir con una zeolita acondicionada los niveles de arsénico, a una concentración menor a lo que

establece la Norma Chilena para este elemento (0.01 mg de As/L).


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Este tipo de zeolita modificada, resultó muy adecuada para la reducción de la concentración de As

(V) del agua, a escala de laboratorio.

14. Bibliografía

Cotton F., Wilkinson G. “Química Inorgánica Avanzada”, Ed. Limusa Wiley, México, 1971.

Curi, A., Granda, W. y Sousa, W., “Las Zeolitas y su Aplicación en la Descontaminación de

Efluentes Mineros” Información Tecnológica, 17, 6: 111-118, 2006.

Liptrop, G. F. “Química Inorgánica Moderna”. Cia. Editora Continental S.A. 4ta. ed., México,

1983.

Norma Chilena Oficial NCh409/1.Of.2005 “Agua Potable”, Instituto Nacional de Normalización,

2006.

Rivera Huerta, M. y Piña Soberanis, M., “Tratamiento de agua por adsorción sobre zeolita natural

acondicionada”, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 2004.

Rodríguez Fuentes, G. y Rodríguez Iznaga, I., “Eliminacion de metales tóxicos mediante zeolitas

naturales”, Laboratorio de Ingeniería de Zeolitas, IMRE Universidad de La Habana, 2002.

Sancha F., A., “Gran minería y medio ambiente estudio de caso: contaminación por arsénico en el

norte de Chile y su impacto en el ecosistema y la salud humana”, 1997.

Santander, M., Jamett, A., Peña, C., Muñoz, L. y Gras, N,.”Arsenico en el cabello de habitantes del

norte de Chile”, Interciencia 5: 258-263,1994.

15. Anexos

15.1. Prestaciones en otros eventos científicos y premios obtenidos:

VIII Feria Científica y Tecnológica. Sociedad Protectora de la Infancia. Comuna de Puente Alto, Agosto 2009. Premio: 1° Lugar Educación Media


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I Feria Científica. Colegio Hispano Americano, Comuna de Santiago, Septiembre 2009.

Premio: 2° Lugar Educación Media

XL Feria Nacional Científica Juvenil. Museo Nacional de Historia Natural. Comuna de Quinta

Normal. Octubre de 2009.

Premio: 1° Lugar Área Tecnología de la Academia Chilena de Ciencias.

IV Congreso Científico Escolar Explora-CONICYT de la R.M. PUC de Chile, Campus San

Joaquín. Comuna de San Joaquín. Octubre del 2009.

Premios: 2° Lugar Educación Media Categoría Ciencias.

15.2. Fotografías


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eliminaciÓn de arsÉnico de agua por … · además de una mezcla de 50 ml de la solución al 0.5%...

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