reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

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Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería

1-1-2010

Reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la industria de Reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la industria de

galvanotecnia para elaboración de adoquines de concreto y galvanotecnia para elaboración de adoquines de concreto y

seguimiento de los contaminantes Cr y Zn seguimiento de los contaminantes Cr y Zn

Olga Marcela Palacios Navarrete Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada Palacios Navarrete, O. M. (2010). Reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la industria de galvanotecnia para elaboración de adoquines de concreto y seguimiento de los contaminantes Cr y Zn. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/1795

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1

REUTILIZACIÓN DE LODOS INORGÁNICOS PROCEDENTES DE LA INDUSTRIA DE

GALVANOTECNIA PARA ELABORACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO Y SEGUIMIENTO

DE LOS CONTAMINANTES Cr Y Zn.

OLGA MARCELA PALACIOS NAVARRETE

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

BOGOTÁ, D.C

2.010

2

REUTILIZACIÓN DE LODOS INORGÁNICOS PROCEDENTES DE LA INDUSTRIA DE

GALVANOTECNIA PARA ELABORACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO Y SEGUIMIENTO

DE LOS CONTAMINANTES Cr Y Zn.

OLGA MARCELA PALACIOS NAVARRETE

Tesis de grado para optar al título de

Ingeniera Ambiental y Sanitaria

Director:

ROBERTO BALDA AYALA

Ingeniero de Alimentos

MSc. Ingeniería Sanitaria

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

BOGOTÁ, D.C

2.010

3

Nota de aceptación

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

Firma del Director

______________________________________

Firma del jurado

______________________________________

Firma del jurado

Bogotá, D.C, 30 de Septiembre de 2.010

4

Dedico este trabajo a Dios

por la sabiduría que me brindo,

a mis Padres

por el apoyo proporcionado,

a mis Hermanos y Familia

por su compañía,

a Laura y Edwin

por su paciencia.

5

AGRADECIMIENTOS

La autora expresa su reconocimiento a:

Ingeniero ROBERTO BALDA, Director de Investigación, por su comprensión, iniciativa y

aportes para la consolidación teórica y práctica de la investigación.

La Universidad de La Salle, por la oportunidad de permitirme acceso al conocimiento

cualificado, científico y acorde con mis capacidades, expectativas y necesidades.

Señor Aníbal Daza, propietario de la Industria ZINTEPEC LTDA, por su colaboración para la

obtención de las muestras del lodo requeridas para la investigación.

Las personas que directa e indirectamente colaboraron en el desarrollo de esta

investigación.

6

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................... 21

3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO GALVÁNICO .............................................................. 21

3.1.1 GALVANOPLASTIA. ......................................................................................................... 21

3.1.2 GALVANOSTEGIA ........................................................................................................... 26

3.1.2.1 Taller de pulido y brillo ......................................................................................... 26

3.1.2.2 Taller de servicio de acabado ................................................................................ 29

3.2 FUENTE Y CARACTERIZACIÓN DE RESIDUOS GALVÁNICOS ..................................... 32

3.2.1 RESIDUOS LÍQUIDOS. ...................................................................................................... 32

3.2.2 RESIDUOS SÓLIDOS......................................................................................................... 33

3.3 IMPACTO AMBIENTAL .......................................................................................... 34

3.3.1 CINC. ........................................................................................................................... 34

3.3.2 CROMO ........................................................................................................................ 36

3.4 MANEJO DEL LODO .............................................................................................. 38

3.5 EL CONCRETO. ..................................................................................................... 39

4. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 43

4.1 ETAPA EXPLORATORIA ......................................................................................... 44

4.2 ETAPA EXPERIMENTAL ......................................................................................... 52

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS ........................................................................................ 59

5.1 DETERMINACIÓN DE PROCENTAJE DE HUMEDAD .................................................. 59

5.2 DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS VOLÁTILES ............................................................. 61

5.3 DETERMINACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA ............................................................ 63

5.4 DETERMINACIÓN DE PH ........................................................................................ 65

7

5.5 DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA NORMAL .................................................. 68

5.5.1 OBJETO NTC-110 ......................................................................................................... 68

5.5.2 RESULTADOS PRUEBA DE CONSISTENCIA NORMAL ................................................................ 69

5.6 DETERMINACIÓN DE TIEMPOS DE FRAGUADO ...................................................... 72

5.6.1 OBJETO NTC-118 ......................................................................................................... 72

5.6.2 RESULTADOS TIEMPOS DE FRAGUADO ................................................................................ 73

5.7 PREPARACIÓN Y ENSAYOS DE LAS DIFERENTES MEZCLAS ....................................... 77

5.8 DETERMINACIÓN DE TRAZAS CONTAMINANTES DE INTERÉS SANITARIO ............... 78

5.9 PRUEBA DE LIXIVIACIÓN ....................................................................................... 79

5.10 ANÁLISIS DE COSTOS ............................................................................................ 80

5.10.1 ANÁLISIS FINANCIERO DE LA ALTERNATIVA A....................................................................... 81

5.10.1.1 Inversión inicial. ..................................................................................................... 81

5.10.1.2 Costos adicionales ................................................................................................. 82

5.10.1.3 Costos de operación y mantenimiento ................................................................ 83

5.10.1.4 Ingresos por año .................................................................................................... 83

5.10.1.5 Determinación Punto de Equilibrio ...................................................................... 84

5.10.2 ANÁLISIS FINANCIERO DE LA ALTERNATIVA B ....................................................................... 85

5.10.2.1 Inversión inicial ...................................................................................................... 85



5.10.2.4 Ingresos por año .................................................................................................... 88

5.10.2.5 Determinación de la utilidad por año ................................................................... 89


5.10.3 ANÁLISIS FINANCIERO DE LA ALTERNATIVA C ....................................................................... 90




5.10.3.4 Ingresos por año .................................................................................................... 93



5.10.4 ANÁLISIS FINANCIERO DE LA ALTERNATIVA D ...................................................................... 95




5.10.4.4 Ingresos por año .................................................................................................... 97

8



5.10.5 FLUJO EFECTIVO ............................................................................................................. 99

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

9

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Solventes empleados en tratamiento de plásticos ........................................................... 222

Tabla 2. Soluciones empleadas en premetalizado ............................................................................ 24

Tabla 3. Espesores de recubrimiento sugeridos ............................................................................... 24

Tabla 4. Soluciones desengrasantes ................................................................................................. 29

Tabla 5. Composición de las soluciones de decapado químico (mg/l) ............................................. 30

Tabla 6. Propiedades del Cinc ........................................................................................................... 35

Tabla 7. Propiedades del Cromo ....................................................................................................... 37

Tabla 8. Descripción simplificada de la hidratación del concreto..................................................... 42

Tabla.9 Concentraciones registros de análisis de vertimientos........................................................ 47

Tabla 10. Caracterización del lodo .................................................................................................... 48

Tabla 11. Especificaciones de mezcla ............................................................................................... 55

Tabla.12 Datos determinación de porcentaje de humedad ............................................................. 59

Tabla.13 Datos determinación de Sólidos Volátiles .......................................................................... 61

Tabla.14 Datos determinación de presencia de Carbonatos ............................................................ 63

Tabla.15 Datos determinación de materia orgánica ........................................................................ 64

Tabla.16 Determinación potenciométrica ........................................................................................ 65

Tabla.17 Descripción NTC-110 .......................................................................................................... 69

Tabla.18 Prueba de consistencia normal en la pasta ........................................................................ 69

Tabla.19 Descripción NTC-118 .......................................................................................................... 73

Tabla.20 Tiempos de fraguado mezcla 1 .......................................................................................... 73



Tabla.23 Porcentajes de mezcla........................................................................................................ 77

Tabla.24 Resultados de laboratorio ANALQUIM LTDA ..................................................................... 78

Tabla.25 Resultados prueba de lixiviación ........................................................................................ 79

Tabla.26 Límites máximos para constituyentes tóxicos en el lixiviado ............................................ 80

Tabla.27 Costos de inversión inicial .................................................................................................. 81

Tabla.28 Parámetros a tener en cuenta ........................................................................................... 82

Tabla.29 Costos adicionales de operación y mantenimiento ........................................................... 83

Tabla.30 Ingresos .............................................................................................................................. 84




Tabla.34 Ingresos .............................................................................................................................. 91


10



Tabla.38 Ingresos .............................................................................................................................. 93




Tabla.42 Ingresos .............................................................................................................................. 98

Tabla.43 Flujo Efectivo…………………………………………………….………………………………………………………..100

11

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de galvanoplastia .............................................................. 25

Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de pulido y brillo ............................................................... 28

Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de acabado ........................................................................ 31

Figura 4. Concentración Cinc (Zn) ..................................................................................................... 47

Figura5.ConcentraciónCromo(Cr) ..................................................................................................... 48

Figura 6. Datos determinación de humedad de los lodos ................................................................ 60

Figura 7. Datos determinación de sólidos volátiles de los lodos ...................................................... 62

Figura 8. Datos determinación de materia orgánica ........................................................................ 64

Figura 9. Datos determinación potenciométrica .............................................................................. 66

Figura 10. Consistencia normal mezcla lodo 50% - cemento 50% .................................................... 70



Figura 13. Fraguado mezcla 1 ........................................................................................................... 74

Figura 14. Fraguado Mezcla 2 ........................................................................................................... 75

Figura 15. Fraguado Mezcla 3 ........................................................................................................... 76

Figura 16. Diagrama de flujo efectivo Alternativa A ......................................................................... 82

Figura 17. Gráfica punto de equilibrio Alternativa A ........................................................................ 85

Figura 18. Diagrama de flujo efectivo Alternativa B ......................................................................... 86

Figura 19. Gráfica punto de equilibrio Alternativa B ........................................................................ 90

Figura 20. Diagrama de flujo efectivo Alternativa C ......................................................................... 91

Figura 21. Gráfica punto de equilibrio Alternativa C ........................................................................ 94

Figura 22. Diagrama de flujo efectivo Alternativa D ......................................................................... 96

Figura 23. Gráfica punto de equilibrio Alternativa D ........................................................................ 94

12

LISTA DE FOTOS

Foto 1. Acondicionamiento del invernadero ....................................................................... 44

Foto 2. Lechos de secado ..................................................................................................... 45

Foto 3. Detalles lechos de secado ........................................................................................ 45

Foto 4. Ubicación de los lechos de secado .......................................................................... 46

Foto 5. Determinación de pruebas de humedad ................................................................. 49

Foto 6. Muestra de lodo para determinación de Cinc y Cromo .......................................... 50

Foto 7. Lechos de secado ..................................................................................................... 51

Foto 8. Trituración de lodos ................................................................................................. 51

Foto 9. Ensayo mediante la aguja de Vicat .......................................................................... 53

Foto 10. Ensayo mediante las Agujas de Gillmore ............................................................... 54

Foto 11. Moldes de madera ................................................................................................. 54

Foto 12. Elaboración de los cubos ....................................................................................... 56

Foto 13. Cubos de concreto ................................................................................................. 56

Foto 14. Prueba de lixiviación .............................................................................................. 57

Foto 15. Muestras prueba de lixiviación .............................................................................. 58

13

LISTA DE ANEXOS

ANEXO I. FICHA TÉCNICA GEOTEXTIL

ANEXO II. PERMISO PARA RETIRAR LOS LODOS

ANEXO III. PROTOCOLOS DE ANÁLISIS DE LODOS

ANEXO IV. NTC. 110

ANEXO V. NTC. 118

ANEXO VI.INFORME DE RESULTADOS DE LABORATORIO LODOS

ANEXO VII.INFORME DE RESULTADOS DE LABORATORIO LIXIVIADO

ANEXO VIII.PROYECCIÓN FLUJO EFECTIVO

14

GLOSARIO

ADOQUÍN: pieza de piedra elaborada de forma prismática que, dispuesta junto a otras, se utiliza para empedrar una superficie.

AGREGADO: material inerte, de forma granular, natural o artificial, que aglomerado por el

cemento en presencia de agua conforma un todo compacto (piedra artificial).

AGREGADO ARTIFICIAL: se obtiene a partir de productos y procesos industriales. Por lo

general estos agregados son más ligeros o pesados que los ordinarios.

AGREGADO NATURAL: aquél que proviene de la explotación de fuentes naturales tales

como depósitos de arrastres fluviales o de glaciales y de canteras de diversas rocas y

piedras naturales.

ALEACIÓN: sustancia compuesta por dos o más metales. Las aleaciones, al igual que los

metales puros, poseen brillo metálico y conducen bien el calor y la electricidad, aunque

por lo general no tan bien como los metales por los que están formadas.

ÁNODO: es el electrodo a través del cual entra la corriente; en la electrólisis es el terminal

positivo.

APARATO DE GILLMORE: instrumento que se utiliza para determinar los tiempos de

fraguado del cemento hidráulico.

APARATO DE VICAT: instrumento que consta de una varilla cilíndrica de hierro utilizada

para controlar el tiempo de fraguado del cemento.

BAÑO ELECTROLÍTICO: término galvanostégico para hacer referencia al electrolítico.

CÁTODO: es el electrodo por el cual sale la corriente; en electrólisis corresponde al terminal negativo.

15

CEMENTO: material aglomerante que tiene propiedades de adherencia y cohesión, las cuales permite unir fragmentos minerales entre sí, para formar un todo compacto con resistencia y durabilidad adecuadas.

CEMENTO PORTLAND: material que tiene la propiedad de fraguar y endurecer en

presencia de agua.

CINC: micronutriente necesario para los seres vivos, el cual tiene efectos sinergísticos con el arsénico, el plomo, el cadmio y el antimonio. Este se pierde a lo largo de las cadenas alimenticias. La inhalación produce la fiebre de Cinc, la cual se manifiesta mediante escalofríos, fiebre y náuseas. También produce disminución de pH sanguíneo y retraso del crecimiento.

CLINKER: principal componente del cemento, material sintetizado (aglomerado)

producido mediante el calentamiento a altas temperatura (mayores que 1200 grados

Celsius) una mezcla de substancias tales como piedra caliza y laja de la corteza terrestre.

Las substancias manufacturadas son esencialmente, silicatos de calcio hidráulico

contenidos en una masa cristalina, que no es separable en componentes individuales.

COMPRESIÓN: Esfuerzo al que está sometido un cuerpo por la acción de dos fuerzas

opuestas que tienden a disminuir su volumen.

CONCENTRACIÓN: de una sustancia, elemento o compuesto en el líquido es la relación existente entre su peso y el volumen de líquido o sólido que lo contiene. CONCRETO: Material artificial utilizado en ingeniería que se obtiene mezclando cemento

Portland, agua, algunos materiales bastos como la grava y otros refinados y una pequeña

cantidad de aire.

CONSISTENCIA: estado de fluidez de la pasta, es decir qué tan dura o blanda es una

mezcla de concreto cuando se encuentra en estado plástico.

CROMO: es un metal de transición que en el agua puede estar presente en dos estados, el trivalente y hexavalente, aunque usualmente se encuentra en la naturaleza en estado trivalente. Se ha encontrado que la forma hexavalente es la más tóxica para la vida acuática y que su toxicidad varía con el pH. CUBA: recipiente abierto utilizado para realizar el proceso electrolítico.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cemento_portland

16

ELECTRODO: es el conductor a través del cual entra o sale corriente en una celda electrolítica. ELECTRÓLISIS: proceso que involucra una descomposición por medio de electricidad. ELECTROLÍTICO: proceso efectuado por electrólisis.

FLEXIÓN: Acción y efecto de doblar un sólido por la acción de una fuerza que lo deforma.

GALVANIZADO ELECTROLÍTICO: una pieza metálica se recubre de un metal en solución

menos noble por un proceso redox provocado por una corriente continua.

GALVANOTÉCNIA: técnica que consiste en la electrodeposición de un recubrimiento

metálico sobre una superficie.

GALVANOPLÁSTIA: deposición electrolítica de capas metálicas sobre objetos no

metálicos.

GALVANOSTÉGIA: recubrimiento hecho electrolíticamente sobre superficies metálicas.

GENERADOR: toda persona natural o jurídica, pública o privada, cuya actividad genera

lodos y es responsable de los efectos que causen éstos durante el manejo, transporte,

tratamiento y disposición final.

LIXIVIADO: líquido generado por el exceso de humedad en los residuos o por la

percolación de agua a través de una unidad de disposición.

LODO: sólidos acumulados y separados de los líquidos, del agua o agua residual durante

un proceso de tratamiento, o clarificado en cuerpo de agua.

MANEJO: comprende las fases de envasado, etiquetado, almacenamiento, traslado en el

lugar de generación, tratamiento, reúso y/o reciclaje de los lodos.

MATERIA ORGÁNICA: Residuos de alimentos, restos de podas y jardinería, papeles y

celulosa mojados. Es fácilmente fermentable y se utiliza para la fabricación de compost.

17

METAL PESADO: Cada uno de los metales que tienen un peso atómico relativamente alto

y una densidad mayor de 5g/cm3, como por ejemplo mercurio, cromo, cadmio, arsénico y

plomo. En pequeñas concentraciones pueden dañar los seres vivos. Tienden a acumularse

en el organismo.

RESISTENCIA: Causa que se opone a la acción de una fuerza, la falla de un concreto está

regida por las resistencias relativas del agregado, la pasta y de la interface de adherencia.

REUSO: acción de volver a usar un desecho, con fines de minimizar consumos adicionales

de agua; puede ser con o sin previo tratamiento.

18

RESUMEN

Las vías de manejo y eliminación de los lodos provenientes de procesos de tratamiento de vertimientos industriales se consideran, hasta el momento, como una problemática, teniéndose en cuenta que la generación de éstos es continua y que cada día las restricciones sobre las vías de eliminación son más severas debido a la utilización de técnicas no apropiadas y ambientalmente no seguras. Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo fue la reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la industria de galvanotecnia en la elaboración de adoquines de concreto. La propuesta es el resultado del análisis de las características principales de los lodos; por lo tanto la investigación presenta un seguimiento de la concentración de Cinc y Cromo, principales metales pesados presentes en la muestra tomada y el establecimiento de las propiedades mecánicas de los adoquines elaborados. Para la elaboración de los adoquines se mezclaron cemento - lodo, variando las proporciones de la mezcla según las siguientes especificaciones: 50% cemento – 50% lodo, 40% cemento – 60% lodo, 30% cemento – 70% lodo. Se fabricaron veinte cubos de 5 cm. de ancho, 5 cm. de alto y 5 cm. de profundidad para cada uno de los porcentajes trabajados. Buscando encapsular las trazas contaminantes y llegar a una resistencia ideal. Posteriormente se evaluaron las variables mecánicas de los cubos donde presentaron baja resistencia al ejercer una fuerza simple con la mano; luego, las demás muestras fueron sometidas a cocción a una temperatura de 750°C, pero los adoquines no soportaron alta temperatura y se desintegraron; por lo tanto, la alternativa fue descartada, aunque la propuesta financieramente era factible. Porque los adoquines no presentaron la resistencia adecuada para ser utilizados como material de construcción. Por último se realizó el estudio químico a los residuos de los cubos sometidos a alta temperatura para determinar el grado de lixiviación, donde el residuo fue combinado con agua y durante tres días se tomaron muestras, para determinar la concentración de Cinc y Cromo, presentándose criterios no admisibles según lo estipulado en la Resolución 3957 de 2009. Por la cual se establece la norma técnica, para el control y manejo de los vertimientos realizados a la red de alcantarillado público en Distrito Capital. Expedida por la Secretaria Distrital del Ambiente.

19

INTRODUCCIÓN

La presente investigación se centró en la búsqueda de una nueva alternativa de reutilización de lodos inorgánicos provenientes de procesos industriales de galvanotecnia para la elaboración de adoquines de concreto, teniendo en cuenta que la reutilización constituye una herramienta de coprocesamiento amigable con el ambiente. El constante crecimiento industrial en Colombia y la falta de lugares destinados para la disposición ambientalmente segura de estos desechos ha generado una problemática ambiental, debido a que los lodos inorgánicos residuales industriales representan un gran impacto, teniendo en cuenta que sus condiciones físico-químicas les otorgan características especiales por su alto contenido de humedad, por la concentración de trazas de metales pesados, nutrientes, agentes patógenos y compuestos inorgánicos, poco biodegradables que dificultan su manejo. En los últimos años existe un interés masivo en la búsqueda de soluciones eficientes a los problemas ambientales. Por lo tanto la investigación responde a la necesidad de encontrar vías de eliminación y/o ecoprocesamiento que permitan reutilizar los lodos inorgánicos de forma segura, práctica y sostenible. La elaboración de mezclas con los lodos industriales es un acercamiento para conocer las potencialidades de su uso como sólidos útiles en la industria de la construcción, alternativa en auge que utiliza los lodos como materiales incorporados en las diferentes mezclas utilizadas para la elaboración de piezas de construcción. Recientes investigaciones presentan esta alternativa como una de las posibles soluciones como método de eliminación, cuando los lodos son incorporados en cerámicas estructurales diferentes al cemento, estableciéndose el manejo de biosólidos y lodos primarios de industrias productoras de papel como materia prima en la elaboración de ladrillos y pequeñas piezas de mampostería. Por lo tanto; aquí se presenta un trabajo investigativo basado en el manejo de lodos industriales de origen galvánico, con el ánimo de generar un aporte a los esfuerzos realizados en la búsqueda de técnicas de manejo, uso y reutilización ambientalmente segura de residuos industriales.

20

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL.

Determinar la viabilidad ambiental, física y económica de la alternativa de

reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la industria de galvanotecnia en

la elaboración de adoquines de concreto utilizados para tráfico liviano. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

1. Determinar la calidad de la mezcla concreto-lodo según especificaciones de

las normas técnicas colombianas para el sector de la construcción.

2. Establecer el nivel de lixiviación de la mezcla concreto-lodo para los

contaminantes Cr y Zn.

3. Determinar la viabilidad económica de la alternativa propuesta.

21

3. MARCO TEÓRICO

En este capítulo se presenta los aspectos teóricos del proceso de galvanotecnia, industria

escogida para la captación de la muestra de lodo, tomando como consideración que es

una línea de producción que no incorpora insumos orgánicos, por lo tanto sus lodos son

de origen inorgánico; además, presenta altas concentraciones de metales pesados,

elementos que se caracterizan por ser materiales cerámicos resistentes a la corrosión

frente a diferentes agentes químicos, ya que se encuentran en la naturaleza formando

minerales. También, se darán a conocer las principales propiedades del concreto.

3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO GALVÁNICO1

La galvanotecnia es una técnica que consiste en la electrodeposición de un

recubrimiento metálico continuo y adherente sobre una superficie que puede ser o no

metálico, sobre una superficie de un conductor inmerso en un electrólito, con el uso

de la corriente eléctrica. Al proceso de deposición en particular se le denomina

recubrimiento electrolítico. Los recubrimientos electrolíticos pueden ser de metales

puros o de aleaciones.

En galvanotecnia se consideran dos tipos de procesos: la galvanoplastia y la

galvanostegia. El primero se refiere al proceso en que los recubrimientos metálicos se

hacen sobre las superficies de materiales no conductores; mientras que en el segundo,

la galvanotecnia, los recubrimientos se realizan sobre elementos metálicos.

3.1.1 Galvanoplastia. Consiste en la deposición electrolítica de capas metálicas

sobre objetos no metálicos (principalmente plásticos) revestidos de capas

conductoras o sobre matrices negativas de las que se separan posteriormente las

capas metálicas. El primer proceso se emplea principalmente con fines decorativos,

mientras que con el segundo se obtienen piezas moldeadas como discos

1 ACERCAR, Ventanilla de asistencia técnica ambiental para la Mipyme. Descripción del proceso Galvánico.

En: Manual de buenas prácticas. Colombia; p. 3-7.

22

fonográficos, monedas y objetos de plástico, así como cera o parafina se hacen

conductores utilizando grafito o Cinc en polvo y recubriéndolos

electrolíticamente con un metal.

En general, el proceso de metalizado de plásticos comprende las siguientes etapas:

Desengrase: Debido a la naturaleza hidrofóbica de la mayoría de los plásticos,

el proceso más conveniente involucra la utilización de solventes. En este

proceso se produce un ligero ablandamiento superficial debido a la solvatación

parcial de las moléculas polimétricas y a una reacción parcial con el polímero.

Los solventes más usados se presentan en la tabla 1:

Tabla 1. Solventes empleados en tratamiento de plásticos

OBSERVACIONES

Hidrocarburos insaturados

Se usan en combinación con emulsificantes no iónicos.

Solventes clorados

Dimetil formamida

Metil etil cetona

Metanol / ácido nítrico Usado con ABS y polipropileno

Peróxidos orgánicos Polipropileno

Fuente: ACERCAR, 2008

Acondicionamiento: Su función es proporcionar cierta rugosidad superficial,

eliminando así la necesidad de tratamientos mecánicos y suministrar puntos de

enlace químico para los metales aplicados posteriormente.

Para la mayoría de los plásticos, como ABS y polipropileno se realiza

principalmente con ácido sulfúrico, ácido crómico y algunos aditivos como

ácido fluorhídrico, en proporciones variables que oscilan entre 50 g/l para el

crómico y entre 100 y 600 para el sulfúrico. Esta es una etapa que debe

controlarse cuidadosamente para garantizar una buena adhesión del metal.

23

Esta fase del proceso tiene una duración entre 1 y 5 minutos, a una

temperatura que oscila entre 20 y 35°C.

Sensibilización y activación de la superficie: Consiste en la adsorción en la

superficie del plástico de un material fácilmente oxidable. La oxidación del

sensibilizador en la etapa de nucleación sirve para depositar una superficie

catalítica en la superficie plástica, entre los activadores más empleados se

utilizan sales de estaño (II) y sales de titanio (III); en el proceso más empleado

se introduce el cloruro estannoso (10 g/l), en combinación con ácido

clorhídrico (40 ml/l).

Las soluciones se aplican a una temperatura entre 20 y 25°C, durante 1 a 3

minutos, para piezas complicadas se requiere agitar para mejorar los

resultados. Una formulación típica la nucleación contiene 0.25 g/l de cloruro de

paladio y 2.5 ml/l de HCl, a una temperatura que va de 20 a 40°C, durante un

tiempo de 30 a 60 segundos.

Pos-nucleación: Cuando esta etapa se lleva a cabo inmediatamente después

del acondicionamiento, es necesario usar un agente reductor para formar el

catalizador de paladio. Los agentes más comunes son el formaldehido, el

hipofosfito y la hidracina.

Premetalizado: Se hace un metalizado previo sin uso de corriente con

soluciones que contienen los iones cobre o níquel, donde se hace la superficie

conductora mediante un proceso auto catalítico. El objetivo de este proceso es

lograr una superficie suficientemente conductora para el posterior proceso

electrolítico. Los depósitos metálicos formados tienen espesores entre 0.1 y

1.5 µm, siendo los más comunes entre 0.5 y 0.7. las formulaciones más

empleadas se presentan en la tabla 2:

24

Tabla 2. Soluciones empleadas en premetalizado

COBRE NÍQUEL

CuSO4•5H2O: 15 g/l NaHCO3: 10 g/l

NaKC4H4O6: 30 g/l HCHO: 100 ml/l

NiSO4•6H2O: 30 g/l Citrato sódico: 100 g/l

NH4Cl: 50 g/l NaH2PO2•H2O: 10 g/l NH4OH: hasta Ph 10.5


Metalizado: Una vez la superficie plástica se hace conductora, el metalizado se

realiza como con cualquier otro metal. Se inicia con el depósito de 15 µm de

cobre, empleando un baño ácido de cobre, luego se realiza el recubrimiento

necesario para fines decorativos o para presentar resistencia a la corrosión del

objeto, en la tabla 3 se encuentran los espesores de recubrimientos utilizados:

Tabla 3. Espesores de recubrimiento sugeridos

RECUBRIMIENTO ESPESOR (µm)

1. Ligeras 2. Moderadas 3. Severas 4. Muy severas

Cobre ácido brillante

13 13 15-20 20

Níquel semibrillante

- 0-8 13 15

Níquel brillante

5 5-10 5-10 5-8

Níquel compuesto - - 2.5 5

Cromo 0.25 0.25 0.25 0.25


25

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de galvanoplastia

v

DESENGRASE

MATERIAS PRIMAS

SENSIBILIZACIÓN

ACTIVACIÓN

NUCLEACIÓN

POS-NUCLEACIÓN

PREMETALIZADO

METALIZADO

ETAPA IMPACTO

Solventes orgánicos

Ácido sulfúricoÁcido crómico en solución

Ácido clorhídricoCloruro estannoso

Cloruro de paladio

Reductor, hiposulfitoSódico, formaldehído

Sales de Cobre, níquel o plata, ácido sulfúrico, ácido

crómico

Sales de cobre, níquel o plata, ácido sulfúrico, ácido

crómico

Enjuagues contaminadosVapores

GoteoEnjuagues agotados

Goteo

Enjuagues agotados

Goteo al piso

Goteo al pisoBaños agotados

FUENTE: ACERCAR, 2008

26

3.1.2 Galvanostegia. Se refiere a los recubrimientos hechos electrónicamente

sobre superficies metálicas; puede realizarse de dos maneras diferentes, en forma

catódica o anódica, dependiendo de si la pieza se coloca para su tratamiento terminal

anódico o catódico del circuito.

El tratamiento de galvanostegia catódica busca tres objetivos fundamentales:

Ejercer protección contra lo corrosión

Mejorar el aspecto de las piezas tratadas

Incrementar propiedades superficiales, como dar mayor dureza, mejorar la

conductividad, ejercer lubricación, etc.

La galvanostegia anódica conocida comúnmente como anodizado, implica la

formación de películas de óxido del mismo metal para que aísle y proteja las piezas2.

En galvanostegia se presentan dos tipos de talleres clasificados de la siguiente forma:

3.1.2.1 Taller de pulido y brillo: Se encarga de convertir las superficies de las piezas

metálicas rugosas en brillantes, mediante tratamiento mecánico. La operación de este

taller consta de varias etapas descritas a continuación:

Preparación de discos abrasivos: En la cual se utilizan óxidos metálicos de

diferente tamaño de partícula y adhesivos.

Desbastado de la pieza: En la cual se eliminan las partes rugosas para

obtener una superficie más lisa.

Pulido y Brillo: Los talleres de pulido y brillo se encargan de convertir las

superficies de las piezas metálicas en brillantes, mediante un tratamiento

mecánico, electrolítico y químico. Los diferentes tipos de pulido son:

Pulido y brillo mecánico: Se realiza en varias etapas, en donde la rugosidad

es eliminada paulatinamente por la acción abrasiva de discos elaborados

con diferentes materiales. Se utilizan pastas pulidoras para lograr una

2 Ibid., p.7.

27

superficie lisa y uniforme por todo el contorno de la pieza, finalmente se

efectúa una limpieza de la pasta utilizando estopa.

Pulido electrolítico: La superficie pulida y brillada mecánicamente, puede

ser sometida a un pulido electrolítico utilizando como ánodo la pieza y

como electrolito una mezcla de ácido sulfúrico (40%), ácido fosfórico

(40%), glicerina y agua; a 93°C, 0.5 A/dm2, durante cinco minutos, Estas

proporciones dependen del metal base de la pieza.

Pulido Químico: Se han desarrollado cierto número de soluciones para

producir una superficie brillante sobre cobre, latón y aluminio por

inmersión simple, sin usar corriente. Muchas consisten de mezclas de

ácido fosfórico, nítrico y acético, junto con ácido crómico y agentes

humectantes3.

3 OLIVEROS MORENO, Liliana Paola. y RODRIGUEZ CASTAÑEDA, Adriana ANGELICA. Diagnóstico de dos

industrias en el sector de galvanostegia en el proceso de anodizado y Cincado a través de eco indicadores para plantear alternativas de reducción en el consumo de materia prima y en la producción de residuos: Taller de pulido y brillo. Bogotá, 2003. p. 28-29

28

Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de pulido y brillo

v

PREPARACIÓN DE DISCOS DE ABARCIÓN

MATERIAS PRIMAS

ELABORACIÓN DE DISCOS

DESBASTADO

PULIDO

PULIDO

ETAPA IMPACTO

Óxidos metálicos de diversos tamaños de partícula, adhesivos,

abrasivos

Adhesivos

Piezas, cuero, badana, felpa, tela

Pastas pulidoras, papel

Energía eléctrica

Emisión de material partículado

Emisión de compuestos orgánicos volátiles, material partículado

Emisión de partículas (abrasivos y partículas

metálicas), generación de ruido






29

3.1.2.2 Taller de servicio de acabado: Las operaciones realizadas en servicios de

acabado son las siguientes:

Preparación de la superficie: La superficie pulida y brillada mecánicamente,

puede ser sometida a un pulido electrolítico empleando como ánodo la

pieza y como electrolito una mezcla de ácidos sulfúrico y fosfórico,

glicerina y agua.

Desengrase: Esta operación se realiza para quitar restos de grasa, aceites o

suciedades. Estas operaciones se llevan a cabo a temperaturas superiores

a 60°C. Otro método consiste en la aspersión de soluciones alcalinas

calientes en las piezas, especificadas en la tabla 4.

Enjuague: Entre cada una de las etapas se hace necesario realizar un

enjuague con agua limpia, bien sea por aspersión o por inmersión, para

remover las trazas contaminantes adheridas a la pieza.

Tabla 4. Soluciones desengrasantes

Metal Base Composición

Aleaciones ferrosas y de

cobre

Cinc y sus aleaciones

Aluminio y sus

aleaciones

Cianuro de sodio 40 40

Hidróxido de sodio 40 20

Fosfato trisódico 40

Carbonato de sodio 40 50

Fosfato de sodio 20

Agente humectante 0,75 0,75 0,75


Decapado: Se realiza para eliminar los óxidos que puedan existir en la

superficie y que impiden la buena adherencia de la partícula metálica. El

decapado se hace por inmersión de ácidos inorgánicos, en la tabla 5 se

nombran los ácidos empleados, generalmente inhibidos para evitar que

ataquen la concentración base. La remoción de los óxidos origina lodos

que se acumulan en los tanques de decapado.

30

Tabla 5. Composición de las soluciones de decapado químico (mg/l)

METAL BASE ÁCIDOS

ADITIVOS Clorhídrico Sulfúrico Nítrico Crómico Fluorhídrico

Hierro y aceros no aleados

150-600 50-100 Glicerina

Aceros inoxidables

40-70 10-50

Cobre y sus aleaciones

3 250 360

Aluminio y sus aleaciones

75-100 50 Ácido

fosfórico

Cinc y sus aleaciones

250 Sulfuro Sódico


Neutralización: Después del decapado pueden quedar restos de ácidos que

dan lugar a la formación de hidrógeno y a cambios en el pH de las

soluciones de metalizado, para evitar tales inconvenientes se hace

necesario eliminarlos mediante la inmersión de las piezas en soluciones

alcalinas.

Electrólisis: La pieza es colocada como ánodo o como cátodo, dependiendo

del tipo de proceso, conectada a un rectificador o generador de corriente

y sumergida en el electrolito que contiene una solución de iones metálicos

que se han depositado en la superficie. Como electrodo complementario

se puede conectar un electrodo inerte o uno del metal que se desea

depositar. La temperatura del electrolito, la densidad de corriente, la

agitación, etc. Dependen del metal base y del metal a depositar4.

4 ACERCAR, Op. cit., p.11-13

31

Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de acabado

v

DESENGRASE

MATERIAS PRIMAS

ENJUAGUE

DECAPADO

NEUTRALIZACIÓN

ENJUAGUE

METALIZADO

ENJUAGUE

ETAPA IMPACTO

Solventes, Soda, carbonato de sodio, fosfato

de sodio, humectantes

Agua

Ácido sulfúrico, nítrico, clorhídrico,

inhibidores

Soluciones alcalinas

Agua

Sales metálicas (sulfatos, cloruros, cianuros) de zinc,

cobre y níquel. Ácidos inorgánicos

Agua

Goteo al piso Aceites emulsificados

Partículas en suspensión

Aguas alcalinas

Generación de lodos Goteo al piso

Aguas residuales

Nieblas ácidas o básicas Goteo al piso

Aguas residuales Sales metálicas disueltas

SECADO Vapores

Generación de hidrógeno, lodos metálicos,

niebla ácida


32

3.2 FUENTE Y CARACTERIZACIÓN DE RESIDUOS GALVÁNICOS

En todos los procesos que se desarrollan dentro de la actividad galvánica se generan

residuos industriales que generan gran impacto. A continuación se encuentran los

residuos que son objeto de estudio.

3.2.1 Residuos Líquidos5. La industria galvánica involucra consumo de agua en

los baños de los diferentes procesos, en las etapas de lavado y enjuague. Las

descargas de estas aguas residuales están compuestas por efluentes que se

caracterizan por su carga contaminante tóxica en términos de su contenido de

cianuro, metales pesados como el cromo hexavalente, ácidos, álcalis.

El proceso de recubrimiento metálico en general, es muy poco efectivo ya que sólo

una pequeña cantidad de las sustancias utilizadas en éste se deposita en la pieza.

Hasta un 90% de las sustancias pueden evacuarse a través de las aguas residuales.

Los vertimientos líquidos pueden presentar características ácidas o básicas según de

donde provengan. En particular, los residuos líquidos provenientes de procesos de

cromado, se caracterizan por su contenido de ácido crómico libre y bicromatos en

solución neutra o débilmente ácida.

También pueden contener altas cantidades de sólidos en suspensión, sustancias

tóxicas disueltas y grasa proveniente de los baños de desengrase; si se utilizan baños

ácidos de cobre, níquel, plata, entre otros.

Las aguas ácidas generadas contienen los metales correspondientes en

concentraciones de trazas, más los diversos compuestos asociados a productos

anexos agregados al baño.

Los principales compuestos disueltos que deben ser controlados son: cromo

hexavalente, estaño bivalente, iones de paladio, cobre, níquel, plata, sodio y potasio y

algunos orgánicos reductores como formaldehidos y azúcares.

5 FUNDES, Fundación Suiza para el desarrollo sostenible en América Latina. Guía de buenas prácticas para el

sector de la galvanotecnia: Generación de residuos y aspectos ambientales. Bogotá, 2001. P. 14-16.

33

En general, los residuos líquidos descargados por este tipo de industria provienen de:

Aguas de lavado, enjuague y enfriamiento

Goteos y derrames

Líquidos del lavado de gases

Baños de proceso agotados

Mantenimiento de baños de proceso

Baños de remoción y acondicionamiento: contaminados, agotados

Soluciones de sistemas de lavado/extracción de gases

Pérdidas accidentales

3.2.2 Residuos sólidos6. Los residuos sólidos generados están constituidos por

los lodos resultantes de los baños de proceso, desengrase, decapado y enjuague, así

como también los lodos que se obtienen de los procesos de tratamiento de estas

aguas residuales, las cuales deben ser confinadas dada su naturaleza tóxica. La

composición de estos lodos o barros es variada, pudiendo contener metales como

níquel, cobre, cromo, cinc y otros metales pesados.

En el caso del desengrase y decapado del aluminio en la industria del anodizado, los

lodos contienen aluminato sódico, sales ferrosas en el decapado de piezas de hierro,

los lodos son óxidos y sales ferrosas. Otros residuos sólidos son el polvo y partículas

metálicas producidas durante la preparación preliminar de la superficie por abrasión.

De menor impacto ambiental, por ser fácilmente reciclables, son los recortes de

metal, los alambres de amarre, el cartón y los zunchos de empaque.

En este tipo de industria, al obtener residuos líquidos que contienen variadas especies

químicas (metales pesados, cianuro entre otros), se obtienen lodos de iguales

características a los residuos líquidos que los generaron, lo que dificulta su

reutilización o reciclaje. Sin embargo, la segregación o separación de corrientes de

efluentes, permite la producción de un monólogo con la posibilidad de reúso en la

industria metalúrgica.

6 Ibid. , p.16-17

34

3.3 IMPACTO AMBIENTAL

En la industria galvánica los impactos generados están directamente relacionados con

el tipo de materias primas utilizadas, principalmente metales, ácidos inorgánicos,

soluciones de lavado y solventes orgánicos del tipo halogenados.

Los metales pesados, son una de las formas más peligrosas de contaminación del

medio ambiente, debido a que no presentan ningún tipo de posible degradación

biológica o química. Además, pueden ser bioacumulados de diversas formas

(inorgánica o como compuestos orgánicos) y permanecer en los organismos por largos

períodos (Förstner y Moller, 1974)7.

Por tal razón en la presente investigación involucró dos contaminantes significativos,

donde se establecen algunas afectaciones y problemáticas ambientales de los metales

Cinc y Cromo, los cuales se encuentran presentes en el lodo, objeto de estudio.

3.3.1 Cinc8. Elemento químico de símbolo Zn, número atómico 30 y peso

atómico 65.37. Es un metal maleable, dúctil y de color gris, en la tabla 6 se presenta

sus principales propiedades.

El Cinc introducido en el medio ambiente atmosférico está siempre asociado a la

forma particulada, por lo que su comportamiento depende fundamentalmente del

tamaño y densidad de partícula y de la eficiencia de los procesos de deposición.

En suelos y aguas, el Cinc tiende a adsorberse a la fracción sólida, especialmente a la

materia orgánica, arcillas, óxidos e hidróxidos de hierro y manganeso.

7 MEJÍA VERGEL, Katheryn M. y SÁNCHEZ CASTAÑEDA, Josefina H. Diagnóstico ambiental para el sector

industrial de la galvanotecnia en la ciudad de Bogotá D.C.: Efectos ambientales y toxicológicos. Bogotá, 2001. p. 25 8 Disponible en: http://www.lenntech.es/periodica/elementos/zn.htm. consultado el 10 de Febrero del

2.010.

http://www.lenntech.es/periodica/elementos/zn.htm

35

Tabla 6. Propiedades del Cinc

Nombre Cinc

Número atómico 30

Valencia 2

Estado de oxidación +2

Electronegatividad 1,6

Radio covalente (Å) 1,31

Radio iónico (Å) 0,74

Radio atómico (Å) 1,38

Configuración electrónica [Ar]3d104s2

Primer potencial de ionización (eV)

9,42

Masa atómica (g/mol) 65,37

Densidad (g/ml) 7,14

Punto de ebullición (ºC) 906

Punto de fusión (ºC) 419,5 Fuente: Lenntech, 2010

La movilidad del Cinc aumenta considerablemente al descender el pH, ya que

aumenta su solubilidad y el grado de disociación de los complejos orgánicos, y

disminuye su adsorción a las superficies de matriz sólida. Por tanto, el Cinc puede

incorporarse al lixiviado y desplazarse hacia las aguas subterráneas

fundamentalmente en medios ácidos.

La movilidad del Cinc también aumenta en aguas salobres, debido a la competencia

con otros cationes, como alcalino-térreos, por los centros adsorbentes, interacciones

que tienen como resultado de desorción del Cinc. En medios reductores el Cinc

precipita en forma de sulfuro, muy insoluble, lo que limita drásticamente su

movilidad9.

Las concentraciones de Cinc pueden causar problemas de salud eminentes, como son

úlcera de estómago, irritación de la piel, vómitos, náuseas y anemia. Niveles altos de

Cinc pueden dañar el páncreas y disturbar el metabolismo de las proteínas, y causar

9 MORENO GRAU, María Dolores. Metales: Cinc. En: Toxicología Ambiental. Evaluación del riesgo para la

salud humana. p. 206-208.

36

arterioesclerosis. Exposiciones al clorato de Cinc intensivas pueden causar desordenes

respiratorios.

Además, el Cinc puede causar la gripe conocida como la fiebre del metal. El Cinc

puede afectar fetos y a los recién nacidos. Cuando sus madres han absorbido grandes

concentraciones de Cinc los niños pueden ser expuestos a éste a través de la sangre o

la leche de sus madres.

En los ecosistemas acuáticos las consecuencias más eminentes son el incremento de

la acidez del agua. Los peces pueden acumular Cinc en sus cuerpos, cuando viven en

estos cursos de aguas contaminadas con Cinc, cuando el Cinc entra en los cuerpos de

estos peces este es capaz de biomagnificarse en la cadena alimentaria.

Finalmente, el Cinc puede interrumpir la actividad en los suelos, con influencias

negativas en la actividad de microorganismos y lombrices. La descomposición de la

materia orgánica posiblemente sea más lenta debido a esto10.

3.3.2 Cromo11. Elemento químico, símbolo Cr, número atómico 24, peso atómico

51.996; metal que es de color plateado, duro y quebradizo, en la tabla 7 encontramos

sus principales propiedades. Sin embargo, es relativamente suave y dúctil cuando no

está tensionado o cuando está muy puro. Sus principales usos son la producción de

aleaciones anticorrosivas de gran dureza y resistentes al calor y como recubrimiento

para galvanizado.

El cromo se encuentra en forma particulada y su comportamiento depende del

tamaño de la partícula y su densidad. Las partículas de diámetro aerodinámico

inferior a 20 µm pueden permanecer en el aire durante largos periodos de tiempo y

ser transportadas a grandes distancias de los focos de emisión.

Una vez depositado en suelos o aguas superficiales, la mayor parte del cromo se

encuentra en forma insoluble, formando precipitados o adsorbido a la fracción sólida

de los suelos y sedimentos.

10

Lenntech, Op. cit. 11 Disponible en: http://www.lenntech.es/periodica/elementos/cr.htm#ixzz0Xp6GAIN7. consultado

el 10 de Febrero del 2.010.

http://www.lenntech.es/periodica/elementos/cr.htm#ixzz0Xp6GAIN7

37

Tabla 7. Propiedades del Cromo

Nombre Cromo

Número atómico 24

Valencia 2,3,4,5,6

Estado de oxidación +3

Electronegatividad 1,6

Radio covalente (Å) 1,27

Radio iónico (Å) 0,69

Radio atómico (Å) 1,27

Configuración electrónica [Ar]3d54s1

Primer potencial de ionización (Ev) 6,80

Masa atómica (g/mol) 51,996

Densidad (g/ml) 7,19

Punto de ebullición (ºC) 2665

Punto de fusión (ºC) 1875 Fuente: Lenntech, 2010

La movilidad del cromo es muy limitada y depende del contenido de arcillas del

terreno y, en menor medida, de la presencia de óxido de hierro, Fe2O3, y materia

orgánica. El cromo puede adsorberse irreversiblemente a la matriz de suelos, de

forma totalmente no disponible para animales o plantas.

En medios reductores, como los provocados por la inundación de los terrenos y la

descomposición de materia vegetal, el cromo (III) puede formar complejos, lo que

aumenta su solubilidad y movilidad. La complejación se ve facilitada en medios

ácidos.

Los efectos agudos más importantes de la ingestión de dosis altas de cromo son

cuando su configuración es hexavalente ya que cruza con facilidad las membranas

celulares, por su carácter corrosivo provoca irritación de los tejidos expuestos y puede

incluso producir necrosis en concentraciones elevadas. La absorción de cromo es más

rápida en el intestino que en el estómago. Tras su absorción el cromo se distribuye

preferentemente a los pulmones.

También la ingestión de cromo hexavalente puede llevar a lesiones renales, en

glomérulos y túbulos. La exposición dérmica y por inhalación de forma crónica

38

conduce a la ulceración y perforación del tabique nasal, así como de otras regiones

cutáneas expuestas.

El cromo no presenta tendencia a la bioconcentración en organismos acuáticos, pero

es clasificado como agente cancerígeno, cuando se produce por vía inhalación para la

configuración hexavalente, debido a que este atraviesa rápidamente la membrana

celular. Por otro lado no se ha demostrado que el cromo trivalente posea efectos

cancerígenos por alguna de las rutas de administración12.

3.4 MANEJO DEL LODO

Los lodos inorgánicos se caracterizan por la presencia de metales pesados y sus

propiedades básicas son la inercia y la tendencia de asentarse rápidamente y

constituir aglomeraciones densas. La densidad varía entre 1.5 g/cm3 y 2.5 g/cm3. En

vista de su naturaleza poco reactiva, las situaciones que propician el desprendimiento

de olores nauseabundos solamente se presentan si tienen contaminación orgánica, o

si actúan en ellos las bacterias que reducen los sulfatos o sulfuros.

Es por esto que el manejo ambientalmente seguro de estos lodos debe ser de manera

controlada debido a que éstos se caracterizan por su alto contenido de humedad, lo

que les dota de peso y volumen considerables, que se une a sus desfavorables

características mecánicas, físicas y químicas por presentar alta carga contaminante.

Actualmente se utilizan las siguientes vías de eliminación y uso13:

Aplicación en tierras de cultivo

Incineración

Vertido al mar

Aplicación a la tierra

Recuperación de energía

Recuperación de productos minerales

12

MORENO, Op. cit., p. 212-214. 13

VEGA, Miguel, BONTOUX Laurent y PAPAMELETIOU Demóstenes. Vías de eliminación. En: Tratamiento de

las aguas residuales urbanas en Europa: el problema de los lodos. Bilbao, España. 2005.

39

Compostaje

Vermicompostaje

Elaboración de materiales de construcción

Esta última alternativa propuesta es la que interesa en el presente proyecto, donde se

presenta el manejo de un lodo inorgánico como materia prima para la elaboración de

adoquines de concreto.

3.5 EL CONCRETO

Puede definirse como la mezcla de un material aglutinante (Cemento Portland

Hidráulico), un material de relleno (agregados o áridos), agua y eventualmente

aditivos, que al endurecerse forma un todo compacto (piedra artificial) y después de

cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión14.

Proceso químico15. Los ingredientes esenciales del concreto son el cemento y

el agua, los cuales reaccionan químicamente en el proceso llamado hidratación

para formar otro material más fuerte.

El concreto es una mezcla de un agregado fino (arena), uno grueso (grava),

cemento Portland y agua. El cemento Portland se compone principalmente de

silicatos, calcio y aluminio. Cuando estos silicatos se mezclan con el agua, se

producen reacciones, incluyendo la hidrólisis, la formación de gel y la

hidratación. El endurecimiento del cemento acompaña a estas reacciones y,

puesto que sólo se necesita agua para producirlo, el cemento Portland recibe

el nombre de cemento hidráulico. La función del cemento en el concreto, es

unir las partículas de arena y grava. Si estas partículas son de buena calidad,

serán más fuertes que el cemento que las une. En efecto, la resistencia y la

calidad del concreto están limitadas, casi siempre, por la resistencia y la

calidad de la pasta de cemento y, por esta razón, los factores que gobiernan la

calidad de la pasta de cemento son de gran importancia. Entre éstos están la

14

SÁNCHEZ, De Guzmán Diego. Propiedades y diseño del concreto. En: Tecnología del concreto y del mortero. Quinta edición. Bogotá: Bhandar Editores Ltda, 2001. p. 72. 15 KEYSER, Carl A. Concreto. En: Técnicas de laboratorio para pruebas de materiales. México. 1972.

40

fisura y la calidad del cemento Portland, la calidad del agua que se usa para la

mezcla, los materiales dañinos que se incluyen con el agregado, la edad de la

pasta, la temperatura y la humedad del curado y la relación entre el agua y el

cemento. Mientras más finas son las partículas de cemento, más rápidamente

reaccionan con el agua, para lograr el endurecimiento. Cualquier agua potable

es apropiada para lograr un concreto de la mejor calidad.

La pasta de cemento y, por consiguiente, el concreto, se endurece con

bastante rapidez al principio y con mayor lentitud a medida que pasa el

tiempo. Diez días después de la mezcla, la pasta de cemento alcanzará

aproximadamente la tercera parte de su resistencia final, a los 28 días llegará a

las dos terceras partes de ella y se acercará mucho a la resistencia definitiva al

cabo de un año. Esas cifras presuponen que el cemento, o el concreto en que

se usa, se debe mantener humedecido y a unos 70ºF. Si el concreto se seca

antes del endurecimiento (o la cura), o si disminuye la temperatura de la cura,

las reacciones se harán más lentas. En esas condiciones, al final de un

determinado período el concreto será relativamente más débil que si se

mantienen temperaturas más altas y una humedad adecuada.

Como determinante de la calidad del concreto, es la relación entre el agua y el

cemento. Mientras menor sea la relación entre el agua y el cemento, mayor

será la calidad del concreto. Si el agua sobrepasa la cantidad necesaria para la

hidratación, se introducen micro porosidades en los enlaces del cemento, lo

cual reduce su fuerza, su impermeabilidad al agua y su duración (resistencia a

la congelación). La única contribución que hace el exceso de agua al concreto,

es que facilita su aplicación. La consistencia del cemento, que se define

vagamente como fluidez, es una función de la relación entre agua y el total de

sólidos secos que contiene el concreto.

Reacciones de hidratación: Las reacciones de hidratación del cemento son

principalmente las reacciones de hidratación del clinker sumándose a ellas las

debidas a la presencia del sulfato de calcio (yeso), de las adiciones activas (si

las hay) y de los aditivos y compuestos menores. Pueden considerarse como

principales reacciones de hidratación del clinker las correspondientes a la

hidratación de los silicatos y aluminatos de calcio. Durante la reacción con el

agua los silicatos y aluminatos liberan hidróxido de calcio Ca(OH)2.

41

Los cristales que se forman se presentan alargados, prismáticos o en agujas, de

monosilicato de calcio hidratado y de aluminatos hidratados. Estos cristales se

van entrelazando a medida que avanza el proceso de hidratación, dando lugar

a una estructura que va a garantizar la resistencia de las pastas, morteros y

concretos. Los espacios vacios son ocupados principalmente por gel, hidróxido

de calcio y agua. En la tabla 8 se ofrece una descripción simplificada de la

hidratación16

16

SÁNCHEZ, Op. Cit., p. 111.

42

Tabla 8. Descripción simplificada de la hidratación del concreto

Etapa de la reacción Procesos químicos Procesos físicos Influencia en las

propiedades mecánicas

Primeros minutos Rápida disolución inicial de sulfatos y aluminatos de álcali

Alta velocidad de evolución de calor

Los cambios de composición de la fase líquida pueden influir en el fraguado.

De 1 a 4 horas (período de inducción)

Disminución de silicato, pero aumento en la concentración de iones de Ca; la concentración de Ca alcanza un nivel de supersaturación.

Formación de los primeros productos de hidratación; baja velocidad de evolución de calor.

La formación de cristales con forma de barra o placa por balance inadecuado de los iones de los iones de aluminato y sulfato pueden influir en el fraguado y la trabajabilidad. La hidratación de de los silicatos de calcio determina el fraguado inicial.

Aprox. De la 3ª a la 12ª hora (etapa de

aceleración)

Rápida reacción química de los silicatos de Ca para; disminución de la supersaturación de Ca.

La rápida formación de hidratos provoca una disminución en la porosidad; alta velocidad de evolución de calor.

Fraguado inicial; cambio de consistencia plástica a rígida; desarrollo de la resistencia temprana; fraguado final.

Etapa de post-aceleración

Re cristalización de etringita a monosulfato y polimerización de posibles silicatos.

Disminución en la evolución de calor. Constante disminución en la porosidad. Formación de la adherencia entre partículas y entre la pasta y el agregado.

Constante desarrollo de la resistencia a velocidad decreciente. La porosidad y la morfología del sistema hidratado determinan la resistencia final, la estabilidad del volumen y la durabilidad.

FUENTE: Tecnología del concreto y del mortero, 2001

43

4. METODOLOGÍA

El desarrollo metodológico se establece según el método científico ya que la investigación

se ocupa de una problemática ambiental, donde se intenta resolver las hipótesis

planteadas por medio de la investigación científica de tipo experimental que permite

comprobar la viabilidad de la alternativa propuesta.

De esta manera el objeto de la investigación se centró en las siguientes hipótesis:

¿Es posible emplear el lodo inorgánico proveniente de procesos industriales de

galvanotecnia para la elaboración de adoquines?

¿Se podrá definir la proporción de lodos inorgánicos para obtener la resistencia

ideal?

¿Las cargas contaminantes del lodo inorgánico proveniente de proceso industrial

de galvanotecnia podrán afectar el ambiente?

¿Es posible lograr un encapsulamiento de las pequeñas trazas de contaminantes

que quedan en el lodo inorgánico?

El estudio consistió en evaluar la factibilidad de emplear la técnica de fabricación del

adoquín de concreto - lodo, reutilizando lodos generados en la industria de galvanotecnia.

Con una muestra obtenida de La industria galvánica Zintepec LTDA., cuyas instalaciones se

encuentran en la zona industrial de Bogotá, ofrece servicios de cincado y cromado dentro

de sus procesos de recubrimientos electrolíticos en el cual se generan lodos con altas

concentraciones de los metales ya mencionados. Esta empresa facilitó la muestra de lodo

para la ejecución de la investigación.

Para el desarrollo del presente trabajo se tuvo en cuenta las siguientes etapas:

44

4.1 ETAPA EXPLORATORIA

Se inicia el proyecto acondicionando el invernadero ubicado en la Universidad de la

Salle, sede centro, Parque de los Pinos, al cual se le restauró la cubierta con plástico de

invernadero y se realizó el mantenimiento a la estructura física, como se puede ver

registrado en foto 1.

Foto 1. Acondicionamiento del invernadero

Así se encontró la cubierta del

invernadero Así se encontraron las paredes del

invernadero

Invernadero despues de un proceso de

limpieza Cubiertas y paredes del invernadero

restauradas FUENTE: AUTORA, 2009

45

Luego se elaboraron cuatro marcos para lechos de secado en madera de Eucalipto con

las siguientes especificaciones: 1,50 m de largo, 0,60 m de ancho y 2 cm. de grueso,

asegurados con puntilla de 3 pulgadas; después se le colocó a los marcos una base en

geotextil negra NT 1600 asegurada con ganchos de cosedora. En la foto 2 se evidencia

los lechos elaborados. (VER ANEXO I)

Foto 2. Lechos de secado

1. Geotextil para dejar pasar el

lixiviado 2. Marco de los lechos

Los cuatro lechos de secado construidos

FUENTE: AUTORA, 2009

En la parte inferior de los lechos se ubicaron cuatro cuñas (“tacos”) que daban una

inclinación 9,59° para facilitar la recolección del lixiviado, siendo las bases anteriores

de 15 cm y las posteriores de 5 cm de alto y 5 cm de ancho y grueso; éstas también

fueron elaboradas en eucalipto y aseguradas con puntilla; en la parte inferior de las

bases de los lechos se colocó un plástico negro (ver foto 3) que cumplió la función de

recibir el lixiviado y fue asegurado en los bordes con cabuya y ganchos de cosedora.

46

Foto 3. Detalles lechos de secado

Inclinación de los lechos de secado Plástico en el lecho de secado


Los lechos terminados fueron instalados (ver foto 4) sobre los planchones de madera

con los que cuenta el invernadero.

Foto 4. Ubicación de los lechos de secado

Planchones del invernadero Lechos ubicados sobre el planchón


47

Además se realizó una breve revisión de análisis de vertimientos de cinco industrias

de galvanotecnia tomadas al azar, concentraciones registradas en la tabla 9, registros

disponibles en los expedientes otorgados por la Secretaría Distrital de Ambiente. Estos

permitieron establecer el comportamiento de las concentraciones de trazas

contaminantes de Cinc (ver figura 4) y cromo (ver figura 5) en el proceso.

Tabla.9 Concentraciones registros de análisis de vertimientos

Muestra 1 2 3 4 5

Cinc mg/L 1920 89,8 30,8 220 1600

Cromo mg/L 28 72,8 2,42 0 110

FUENTE: Expedientes Secretaría Distrital de Ambiente, 2009

Figura 4. Concentración Cinc (Zn)


48

Figura5.nConcentraciónnCromon(Cr)


Se pudo establecer que la concentración de Cinc y Cromo es muy variable debido a

que en Colombia la producción en la industria galvánica es por cochadas, además se

debe tener en cuenta que la concentración de contaminantes depende del tipo de

recubrimiento que se esté realizando y del tamaño de la producción.

Posteriormente se elaboró una carta dirigida al gerente de la empresa ZINTEPEC LTDA.

Ubicada en la Carrera 31#7-22 en la ciudad de Bogotá D.C. solicitándole permiso para

retirar los lodos (VER ANEXO II). Al obtener una respuesta positiva, en canecas

herméticas de color rojo con capacidad de 55 galones, facilitadas por la misma

entidad, se retiraron los lodos que presentaban la siguiente caracterización

especificada en la tabla 10:

Tabla 10. Caracterización del lodo

Parámetro Unidades Resultado Humedad % 88

pH Unid. 6,7 Cadmio mg/L 0,94

Cromo total mg/L 28 Níquel mg/L 92

Cinc mg/L 1920 FUENTE: ZINTEPEC LTDA., 2009

49

Se tomó una muestra del lodo para realizar pruebas que determinarían el porcentaje de humedad, sólidos volátiles, presencia de materia orgánica y pH en el laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de La Salle (ver foto 5), siguiendo los protocolos establecidos por Comisión de Normalización y Acreditación (CNA) de la Sociedad Chilena de la Ciencia del Suelo, métodos de análisis de lodos adoptados para esta investigación. (VER ANEXO III)

Foto 5. Determinación de pruebas de humedad

PORCENTAJE DE HUMEDAD

SÓLIDOS VOLÁTILES

MATERIA ORGÁNICA


50

Parte de la muestra se envasó en un recipiente de vidrio esterilizado y forrado en

papel aluminio para proteger la muestra como se observa en la foto 6, esta fue

utilizada para la determinación de las concentraciones de Cinc y Cromo presentes en

el lodo, estas pruebas se realizaron en el laboratorio ANALQUIM LTDA, análisis

realizado por el método A.A de Llama (Espectroscopia de absorción atómica de llama).

Foto 6. Muestra de lodo para determinación de Cinc y Cromo

Recipiente esterilizado Muestra de lodo


Los lodos restantes fueron esparcidos en los lechos de secado como se observa en

la foto 7 sin superar los 10 cm de altura demarcados con una línea de color rojo

alrededor del marco de cada lecho. A los lodos se le realizaron volteos diarios

durante un mes para agilizar su secado encontrándose éstos a una temperatura

entre 18°C – 21,5°C aproximadamente; el proceso de secado era importante ya

que los lodos debían quedar en condiciones similares al cemento seco para lograr

así una mezcla homogénea.

51

Foto 7. Lechos de secado

Lodos esparcidos en los lechos de secado


Los lodos secos se trituraron con mortero en una capsula, proceso que se

evidencia en las fotos 8; el material resultante se tamizó y se almacenó en baldes

con tapa para evitar la humedad y perdidas del mismo.

Foto 8. Trituración de lodos

Lodos sin triturar Instrumentos de Trituración

Lodo despues de la primera trituración Lodo despues de la segunda trituración


52

4.2 ETAPA EXPERIMENTAL

Se realizaron pruebas de consistencia normal, procedimiento de ensayo descrito en la

norma NTC – 110 (VER ANEXO IV) y fraguado de la muestra por el método de la Aguja

de Vicat, como se observa en foto 9, procedimiento de ensayo descrito en la norma

NTC – 118 (VER ANEXO V), además se corroboró la información mediante del ensayo

de las agujas de Gillmore, foto 10, procedimiento de ensayo descrito en la norma

NTC – 109, para cada una de las mezclas propuestas, ensayos ejecutados en el

laboratorio de resistencia de materiales de la Facultad de Ingeniería Civil de la

Universidad de la Salle, para la elaboración de la técnica se utilizó en cada ensayo 500

gr de cada muestra.

Para la determinación de la consistencia normal se homogenizaron cada una de las

mezclas con las cantidades establecidas de cemento y lodo en seco, luego se

hidrataron hasta que la mezcla permitiera que el vástago penetrara solo 10 mm ±

1mm, después de 30 segundos de haber sido soltado. Para cada uno de los ensayos se

pesaba y combinaba nuevo material seco.

53

Foto 9. Ensayo mediante la aguja de Vicat

Aguja de Vicat Prueba de consistencia

Prueba de Fraguado


54

Foto 10. Ensayo mediante las Agujas de Gillmore

Agujas de Gillmore Prueba de consistencia

Muestra de una mezcla para prueba de consistencia


Luego se elaboraron 6 moldes cada uno con 10 cubículos de 5x5x5 cm en madera de

eucalipto (ver foto 11), formaleta utilizada para depositar la mezcla de cada uno de los

porcentajes propuestos.

55

Foto 11. Moldes de madera


Posteriormente se realizaron las mezclas propuestas teniendo en cuenta las

especificaciones descritas en la tabla 11. Tabla 11. Especificaciones de mezcla

Mezcla Componente Contenido (%)

1 Cemento Lodo

50 50

2 Cemento Lodo

40 60

3 Cemento Lodo

30 70

FUENTE: Autora, 2009

Cuando los materiales se mezclaron en seco se procedió a hidratar obteniendo la

pasta de concreto (ver foto 12), luego se colocó en los moldes en una sola operación

para después ser apisonado. Así se obtuvo un total de 20 cubos por mezcla propuesta;

éstas se secaron a temperatura ambiente y se mantuvieron hidratadas durante ocho

días.

56

Foto 12. Elaboración de los cubos

Mezcla en seco Hidratación de la mezcla

Mezcla colocada en la formaleta Cubos apisonados


Pasados ocho días, 5 cubos de cada mezcla (ver foto 13) fueron trasladados al

laboratorio de resistencia de la Universidad de La Salle, para desarrollar las respectivas

pruebas físicas, pero esto no fue posible debido a que el concreto moldeado se

desintegro con el hecho de ejercer presión sobre ellos con la mano.

57

Foto 13. Cubos de concreto


A partir de esto se decidió someter los cubos restantes a cocido a una temperatura de

750°C aproximadamente durante 24 horas, obteniendo como resultado la

desintegración de los mismos, en un horno tipo chircal de fabricación de ladrillos que

se encuentra ubicado en el municipio de Ubaté, vereda Guatancuy. Los cubos fueron

ubicados en la parte superior del horno, debido a que en este lugar se presenta menor

temperatura, estos fueron cubiertos con ceniza para una mejor cocción.

A las piezas fracturadas resultantes de la cocción se les adicionó agua destilada;

muestra utilizada en la determinación de la concentración para los metales pesados

Cinc y Cromo (ver foto 14).

Foto 14. Prueba de lixiviación

Muestra en seco Muestra hidratada


58

Se tomó una muestra durante tres días diferentes (ver foto 15) para analizarles las

concentraciones de Cinc y cromo. Pruebas realizadas en el laboratorio ANALQUIM

LTDA, análisis realizado por el método de A.A de llama, según protocolos de la

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21 st Edition. 2005.

Foto 15. Muestras prueba de lixiviación


59

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS En esta última fase de la investigación se presentan los resultados obtenidos de la

experimentación de cada una de las pruebas con su respectivo análisis.

5.1 DETERMINACIÓN DE PORCENTAJE DE HUMEDAD

Se tomaron diez muestras iguales del lodo procedente de la industria galvánica para

determinar el porcentaje de humedad, muestras que fueron utilizadas en pruebas

posteriores de caracterización, obteniendo los resultados expuestos en la tabla 12:

Tabla.12 Datos determinación de porcentaje de humedad

Muestra Peso lodo húmedo

+cápsula (g) Peso lodo seco

+cápsula (g) Peso de la cápsula (g)

Resultado (%)

1 98,879 81,532 78,681 85,887

2 84,516 68,000 64,074 80,794

3 69,520 53,119 50,216 84,964

4 92,721 76,412 72,944 82,464

5 99,821 80,916 78,372 88,139

6 94,603 77,344 74,494 85,827

7 94,014 77,704 74,494 83,550

8 55,537 36,032 33,644 89,090

9 55,722 36,412 34,085 89,244

10 51,566 31,588 29,113 88,977 FUENTE: Autora, 2009

Se asumió que la pérdida de peso del lodo a 105°C±5°C corresponde al contenido de

agua o fracción evaporada. Para el lodo utilizado en el estudio el porcentaje de

humedad promedio es de 85,8936%, lo cual indica que éste presentaba un alto

contenido de humedad y que el proceso de secado era demorado. En la figura 6 se

observa la variación de la humedad en las diferentes muestras tomadas.

60

Figura 6. Datos determinación de humedad de los lodos


La variación del porcentaje de humedad en la muestra de lodo en su estado inicial, se

debe a que éste tenía una textura aparentemente de pasta plástica similar a la de una

arcilla; caracterizándose por concentrar el agua en su estructura, presentando

apariencia de masa compactada y maleable.

Memoria de cálculo. A continuación se presentan los diferentes cálculos

realizados para la prueba de humedad.

Determinación de humedad: La siguiente es la ecuación utilizada para el

cálculo del contenido de agua del lodo, expresado en porcentaje.

a= Peso del lodo húmedo + cápsula (g)

b= Peso del lodo seco a 105°C±5°C + cápsula (g)

c= Peso de la cápsula (g)

61

El promedio permite establecer que el contenido de humedad de la muestra de

lodo fue de 85%, con una tendencia a variar por encima o por debajo de dicho

promedio en 3% (VER ANEXO III). Esta información permitió determinar que la

muestra presentó una mínima variación en el tiempo de secado.

5.2 DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS VOLÁTILES

Se tomaron al azar cinco muestras de las diez con las que inicialmente se habían

sometido a secado. El residuo de lodo utilizado en la determinación del contenido de

humedad se calcinó a 550°C hasta masa constante, obteniendo como resultado lo

expuesto en la tabla 13.

Tabla.13 Datos determinación de Sólidos Volátiles

Muestra Peso lodo +cápsula

antes de la calcinación (g)

Peso lodo +cápsula después de calcinación (g)

Peso del lodo (g)

Resultado (%)

1 81,532 80,304 98,879 1,241

2 80,916 80,494 99,821 0,422

3 77,344 76,560 94,603 0,828

4 77,704 76,818 94,014 0,942

5 76,412 76,386 92,721 0,028 FUENTE: Autora, 2009

La pérdida de masa correspondió a los sólidos volátiles, en el análisis de lodos, los

compuestos de amonio, principalmente como el carbonato de amonio, se volatilizan

completamente. En la figura 7 se observa su variación.

62

Figura 7. Datos determinación de sólidos volátiles de los lodos



realizados para la prueba se sólidos volátiles.

Determinación de Sólidos volátiles: La siguiente fórmula es el cálculo de los

sólidos volátiles, expresados en porcentaje con base a la muestra tal como se

recibió, según:

a= Peso del lodo + cápsula antes de la calcinación (g)

b= Peso del lodo seco a 105°C±5°C + cápsula después de la calcinación (g)

m= Peso del lodo + cápsula tal como se recibió (g)

63

El promedio permitió establecer que la presencia de sólidos volátiles de la

muestra de lodo fue de 0,692%, con una tendencia a variar por encima o por

debajo de dicho promedio en 0,5% (VER ANEXO III), variación no significativa.

Por lo tanto se puede decir que la presencia de compuestos de amonio en la

muestra de lodo fue mínima, los sólidos volátiles toman importancia debido a

que disueltos en el agua de mezclado pueden acelerar o retardar los tiempos

de fraguado del cemento y a su vez reducir la resistencia de la mezcla,

haciendo que el cemento pierda su equilibrio químico.

5.3 DETERMINACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA

Se realizaron cinco pruebas para corroborar la presencia de carbonatos. A

continuación en la tabla 14 se muestran los resultados:

Tabla.14 Datos determinación de presencia de Carbonatos

Muestra Reacción

1 Negativa

2 Negativa

3 Negativa

4 Negativa

5 Negativa FUENTE: Autora, 2009

Al agregar ácido clorhídrico a las muestras secas de lodo no hubo aparición de

burbujas, lo cual indicó la ausencia o mínima concentración de carbonatos, por lo

tanto se calculó el contenido de materia orgánica a partir de los sólidos volátiles

obteniendo los resultados expuestos en la tabla 15.

64

Tabla.15 Datos determinación de materia orgánica

Muestra Sólidos volátiles (%) Humedad (%) Resultado

(%)

1 1,241 85,887 8,793

2 0,422 88,139 3,557

3 0,828 85,827 5,842

4 0,942 83,555 5,728

5 0,028 82,464 0,159 FUENTE: Autora, 2009

A continuación se presenta en la figura 8 el contenido de materia orgánica en la

muestra de lodo.

Figura 8. Datos determinación de materia orgánica


Por medio de la gráfica se puede observar que el contenido de materia orgánica en el

lodo era muy bajo, factor que favorecía la resistencia del material elaborado, además

no presentó olores fuertes, ni desagradables.


realizados para la prueba de materia orgánica.

65

Determinación de Materia orgánica: Cálculo del contenido de materia

orgánica en la muestra de lodo que no posee carbonatos, en base a la muestra

seca a 105°C±5°C, según:

El promedio permite establecer que la presencia de materia orgánica en el lodo

fue de 4,815%, con una tendencia a variar por encima o por debajo de dicho

promedio en 3% (VER ANEXO III). La presencia de impurezas orgánicas afecta

las reacciones químicas de hidratación del cemento durante el fraguado,

debido a que forman una especie de membranas que rodean los cristales del

cemento impidiendo la unión entre las partículas, contribuyendo al

agrietamiento de la mezcla al secarse y resistencias deficientes en el concreto.

Sin embargo en la muestra de lodo reportó mínima presencia de materia

orgánica, factor que favoreció las mezclas propuestas.

5.4 DETERMINACIÓN DE pH

Se prepararon cinco suspensiones de lodo (VER ANEXO III) donde se obtuvieron los

resultados descritos en la tabla 16:

Tabla.16 Determinación potenciométrica

Muestra 1 2 3 4 5

pH 6,08 6,10 6,05 6,19 6,09


66

A continuación se presenta en la figura 9 los valores de pH en la muestra de lodo.

Figura 9. Datos determinación potenciométrica


Este dato sólo tomará importancia cuando las piezas de concreto sean expuestas a un

uso cotidiano y a un ambiente real. Se conoce que el concreto, por medio de

reacciones químicas, forma micro cristales entrelazados que le van dando a la mezcla

una textura pétrea, estructura que consta de una porosidad propia de una roca.

Por lo tanto, la acumulación de agua y otras sustancias en los poros del material

fabricado puede ocasionar corrosión y acelerar procesos de carbonatación de

concreto. La carbonatación en el concreto es la pérdida de pH que ocurre cuando el

dióxido de carbono atmosférico reacciona con la humedad dentro de los poros del

concreto y convierte el hidróxido de calcio con alto pH a carbonato de calcio, que tiene

un pH más neutral17.

Ca (OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Las reacciones básicas de la carbonatación en el concreto se manifiestan de la

siguiente forma:

17

MONTANI, Rick. ¿Qué es la carbonatación?. En: La Carbonatación, enemigo olvidado del concreto. México. 2000.

67

Los poros de un concreto ordinario, bajo condiciones de humedad, contienen:

– Agua (H2O) e

– hidróxido de calcio o cal [Ca(OH)2]

Cuando el CO2 del aire entra en contacto con el agua contenida en los poros del concreto, se forma ácido carbónico de acuerdo a:

CO2+H2O→H2CO3

El ácido carbónico neutraliza el hidróxido de calcio y forma carbonato de calcio sólido, de pH neutro.

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O pH Alto pH bajo pH neutro

Generalmente, el agua contiene calcio y magnesio en forma de bicarbonatos como Ca(HCO3)2 y Mg(HCO3)2, encontrándose el primero en mayor cantidad.

Este compuesto aparece en el agua, constituyendo el siguiente equilibrio:

CaCO3+CO2+H2O↔Ca(HCO3)2

En la ecuación, se constata que es necesaria la presencia de una cantidad libre de CO2 para mantener el equilibrio, que definiremos como CO2 de equilibrio, y que no es perjudicial para el concreto. No obstante, si la cantidad de CO2 libre existente, es mayor que la correspondiente de equilibrio, se rompería el equilibrio y se podría disolver más cal, provocando que el agua se transforme en agresiva.

El mecanismo del ataque de las aguas con CO2 agresivo es el siguiente:

Sobre la superficie del concreto existe CaCO3, como consecuencia de la reacción del CO2 de la atmósfera con el Ca(OH)2, el cual disminuye la permeabilidad del concreto, ya que actúa como sellador debido a su baja solubilidad.

Sin embargo, en presencia de una elevada humedad y CO2 agresivo, se efectuará la reacción:

68

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3+2H2O

El carbonato de calcio obstruye los poros, pero después es atacado nuevamente por el agua agresiva, constituyéndose un proceso dinámico18.

La carbonatación actúa en el concreto de la siguiente forma:

En las primeras edades originando, la contracción por carbonatación que se suma a la,

contracción por secado. Causando eventualmente la fisuración del concreto joven.

El promedio del pH del lodo fue de 6,1, con una tendencia a variar por encima o por

debajo de dicho promedio en 0,05% (VER ANEXO III). La determinación

potenciométrica (pH) del lodo fue un factor importante, ya que con niveles de pH por

debajo de 9.5 favorece la corrosión de la mezcla, ocasionando agrietamiento y

estillamiento del concreto, factor que afectó la durabilidad del concreto joven, debido

a que la mezcla fue hidratada con porcentajes altos para llegar a tener una

consistencia normal manteniendo su pH bajo, proceso que se debe dar en un rango de

pH de 12 a 13, por ser un material altamente alcalino.

5.5 DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA NORMAL

Se realizó la determinación de la consistencia normal a cada una de las mezclas

propuestas según la NTC-110 (ver tabla 17).

5.5.1 Objeto NTC-110

18

VALDEZ, Pedro Leobardo Valdez et al. Influencia de la carbonatación. En: Influencia de la carbonatación en morteros de cemento Pórtland y ceniza volante. México. 2010.

69

Tabla.17 Descripción NTC-110

NTC DESCRIPCIÓN

Determinación de la consistencia normal en la pasta de concreto, mediante la aguja

de Vicat NTC-110.

El ensayo consiste en agregar un volumen conocido de agua a 500 g de cemento, que

se amasan y colocan en un molde troncocónico. Enseguida, se pone la aguja de 10 mm de diámetro en contacto con la superficie superior de la pasta y se suelta. Por acción de su propio peso, el vástago penetra en la pasta y la profundidad de

penetración depende de la consistencia de la pasta. Si la penetración es de 10 mm ± 1mm, después de 30 segundos de haber

soltado la aguja, se considera que la pasta tiene consistencia normal.

FUENTE: NTC-110, 1989

5.5.2 Resultados prueba de consistencia normal

Tabla.18 Prueba de consistencia normal en la pasta

Muestra Cemento (%) Lodo (%) H2O (%)

1 50 50 40

2 40 60 64

3 30 70 77 FUENTE: Autora, 2009

La obtención de la consistencia normal de las diferentes mezclas, durante el

proceso de ensayo, manifestó diferentes dificultades, debido a que el método

depende de las condiciones del medio ambiente, de la naturaleza de la mezcla y

del cuidado que se tenga al preparar la pasta. Se observó que el tiempo juega un

papel importante ya que el cemento y el lodo reaccionaron al ponerse en contacto

con el agua, dándole a la mezcla una determinada fluidez, donde se concluyó que

la fluidez aumentaba al incrementarse el contenido del agua (ver figura 10, 11 y

12).

70

Figura 10. Consistencia normal mezcla lodo 50% - cemento 50%

Mezcla propuesta 1

E X P E R I

M E N T O

H U M E D A D

(%)

1 10

2 20

3 30

4 40


Al realizar el ensayo se determinó que para la mezcla uno la consistencia normal

era igual al 40%.


Mezcla propuesta 2

E X P E R I

M E N T O

H U M E D A D

(%)

1 40

2 50

3 60

4 64

5 70


71

Al realizar el ensayo se halló que para la mezcla dos la consistencia normal era

igual al 64%.


Mezcla propuesta 3

E X P E R I

M E N T O

H U M E D A D

(%)

1 50

2 60

3 70

4 77

5 80


Al realizar el ensayo se encontró que para la mezcla tres la consistencia normal era

igual al 77%.

Atendiendo a los datos recolectados en el ensayo de la consistencia normal de las

muestras 1,2 y 3, y a la norma NTC-110, podemos concluir que la consistencia normal

de las muestras cemento-lodo utilizado para llevar a cabo la experiencia se encuentra

entre una relación agua cemento para la mezcla 1 de 40%, para la mezcla 2 de 64% y

para la mezcla 3 de 77%, es decir, que la muestra 1 de 250gr de cemento y 250 gr de

lodo alcanzó una plasticidad ideal y una fluidez óptima cuando se mezcló con 200 ml

de agua; para la mezcla 2 de 200 gr de cemento y 300 gr de lodo alcanzó plasticidad y

fluidez cuando se mezcló con 320 ml de agua; y para la mezcla 3 de 150 gr de cemento

y 350 gr de lodo cuando se mezcló con 385 ml de agua.

72

Por lo tanto, en la determinación de la consistencia normal de cada una de las

mezclas, se observó un aumento en los requerimientos de humedad cuando

incrementa la cantidad de lodo presente en la mezcla, es así que se establece la

siguiente relación: a mayor porcentaje de lodo, mayor porcentaje de humedad.

Además, se observó que el lodo absorbe más rápido el agua que el cemento,

dificultando así la hidratación proporcional y uniforme de la mezcla.

Según el método de ensayo la definición de Consistencia Normal se considera la

cantidad de agua necesaria para que la pasta de cemento alcance una fluidez óptima y

una plasticidad ideal. Los valores típicos de la consistencia normal están entre 23% y

33%. Porcentaje expresado según el peso del cemento seco.19

Sin embargo, pese a lo expuesto en el anterior párrafo las muestras que llegaron a una

consistencia normal fueron utilizadas en la determinación de los tiempos de fraguado,

haciendo caso omiso a la observación, considerando que la muestra era fuente de

investigación y por lo tanto los requerimientos de agua para las mezclas cemento –

lodo eran diferentes a los requerimientos de agua del cemento.

5.6 DETERMINACIÓN DE TIEMPOS DE FRAGUADO

La determinación de tiempos de fraguado mediante el aparato de Vicat a cada una de

las mezclas propuestas se realizó según la NTC-118 (ver tabla 19).

5.6.1 Objeto NTC-118

19

SÁNCHEZ, Op. Cit., p. 113.

73

Tabla.19 Descripción NTC-118

NTC DESCRIPCIÓN

Determinación de tiempos de fraguado en concreto hidráulico, mediante la aguja de

Vicat NTC-118.

Ensayo el cual consiste en medir la

penetración producida por una aguja de 1 mm de diámetro y 300 g de peso, sobre

una pasta de consistencia normal a diferentes tiempos. Cuando la penetración de la aguja es de 25 mm, se considera que

se ha presentado el fraguado inicial y cuando la aguja deja una ligera huella

sobre la superficie de la pasta, sin penetrarla, se considera que se ha

presentado el fraguado final.

FUENTE: NTC-118, 1989

5.6.2 Resultados tiempos de fraguado

En la tabla 20 se encuentra el registro de los tiempos de fraguado obtenidos en el

ensayo para la mezcla propuesta lodo 50% - cemento 50%.

Tabla.20 Tiempos de fraguado mezcla 1

Lectura Hora Duración

(min) Penetración de la aguja

(mm)

1 11:01 0

2 11:18 17 38

3 11:30 29 37

4 11:45 44 37

5 12:00 59 37

6 12:15 74 37

7 12:35 94 37

8 13:15 134 37

9 14:00 179 36

10 14:30 209 36

11 15:00 239 33

12 15:15 254 33

13 16:00 299 30

14 16:30 329 20

15 17:00 359 18 FUENTE: Autora, 2009

74

Figura 13. Fraguado mezcla 1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

17 29 179 239 299 314 329 359

Pe

ne

trac

ión

(m

m)

Tiempo (min)

TIEMPO DE FRAGUADOLODO 50% - CEMENTO 50%

Medición

Fraguado







(mm)

1 11:30 0

2 11:45 15 39

3 12:00 30 39

4 12:15 45 38

5 12:35 65 38

6 13:15 105 37

7 14:00 150 37

8 14:30 180 35

9 15:00 210 35

10 15:15 225 36

11 16:00 270 36

12 16:30 300 36

13 17:00 330 33

14 17:30 360 29

15 18:00 390 21 FUENTE: Autora, 2009

75

Figura 14. Fraguado Mezcla 2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

15 45 105 180 270 330 360 375 390

Pe

ne

trac

ión

(m

m)

Tiempo (min)


Medición

Fraguado







(mm)

1 12:15 0

2 12:35 20 45

3 13:15 60 45

4 14:00 105 41

5 14:30 135 39

6 15:00 165 39

7 15:15 180 35

8 16:00 225 30

9 16:30 255 30

10 17:00 285 30

11 17:30 315 29

12 18:00 345 29

13 18:20 365 28

14 18:40 385 27

15 19:05 410 22 FUENTE: Autora, 2009

76

Figura 15. Fraguado Mezcla 3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

20 105 135 180 255 315 365 385 395 410

Pe

ne

trac

ión

(m

m)

Tiempo (min)


Medición

Fraguado


Se determinaron tiempos de fraguado para cada una de las mezclas propuestas y en

las figuras 13, 14 y 15 se observa la determinación gráfica del tiempo de fraguado

inicial de cada una de las mezclas, proceso que tomó más tiempo de lo estipulado,

estableciendo como referencia el tiempo de fraguado de la pasta para cementos

comunes que alcanzan valores entre 45 a 60 minutos.

Sin embargo, fue necesario extender las mediciones por más de 24 horas donde se

determinó que las tres muestras superaron las 10 horas de referencia establecidas

para el fraguado final de una pasta de cemento normal.

Por lo tanto se considera que las muestras presentaron falso fraguado, proceso que se

conoce como el endurecimiento prematuro y anormal del cemento; se estableció que

el principal factor que incidió fue el proceso de hidratación del lodo, debido a que la

hidratación del cemento es selectiva, en el proceso los dos primeros compuestos en

reaccionar son los silicatos y aluminatos de calcio, además de la presencia de yeso

quien retrasa la formación de hidrato de aluminio de calcio, quien fragua primero;

componentes que necesitan estar bien hidratados para la organización de las

moléculas y así proporcionar resistencia a la pasta.

Lo anterior permite deducir que la hidratación de las muestras se aceleró al inicio

presentando la pasta una rigidez prematura y anormal en comparación con una

77

mezcla normal de cemento, situación que no permitió una hidratación completa ni

uniforme de la pasta durante todo el proceso de secado y no logró la dureza esperada.

5.7 PREPARACIÓN Y ENSAYOS DE LAS DIFERENTES MEZCLAS

Se fabricaron 3 probetas de mezclas, con las que se variaron las cantidades de lodo y

cemento; para éste estudio se especificaron en términos de proporción mezcla-agua

método que consiste en la fabricación de la pasta con las proporciones necesarias

para obtener una operatividad parecida a los de un concreto normal, a continuación

en la tabla 23 se presenta los porcentajes trabajados en la fabricación de los cubos.

BASE DE CÁLCULO = 6 Libras.

Tabla.23 Porcentajes de mezcla

Muestra Cemento (%) Lodo (%) H2O (%) Cantidad de Cubos

1 50 50 93,31 20

2 40 60 113,33 20

3 30 70 123,33 20 FUENTE: Autora, 2009

Teniendo en cuenta la importancia del agua en el resultado final debido a la influencia

sobre la resistencia mecánica, se trató de llevar la mezcla a un estado plástico similar

al del concreto.

Sin embargo, al comparar los porcentajes de agua de la prueba de consistencia

normal de las mezclas (ver tabla 18) resultados de la prueba de consistencia, con los

porcentajes requeridos en la elaboración de los cubos (ver tabla 23), se encuentra una

notable variación en los porcentajes de aportes de agua que se hicieron a las

diferentes mezclas, debido a que se experimentó mayor dificultad en la fabricación de

los cubos repitiéndose el fenómeno de que el lodo absorbía más rápido el agua que el

cemento, por lo tanto para llegar a la fluidez y plasticidad necesaria se adicionó más

agua.

78

En cuanto al secado de los cubos, este se realizó durante los 28 días siguientes a la

elaboración, donde se observó un secado normal, para luego ser sometidos a pruebas

de resistencia.

Las muestras presentaron resistencia al esfuerzo negativo debido a que con solo la

fuerza mecánica proporcionada por la mano los cubos se desmoronaron y

fraccionaron considerablemente, por lo tanto se tomó la decisión de someterlos a

cocción durante 24 horas.

En este ensayo los adoquines sometidos a calor se estallaron, por lo cual no se logró la

medición de resistencia y por lo tanto se estableció como no factible la propuesta.

5.8 DETERMINACIÓN DE TRAZAS DE CONTAMINANTES DE INTERÉS SANITARIO

Para la determinación de las concentraciones de los metales Cinc y Cromo se tomó

una muestra del lodo que se utilizó para la elaboración de los adoquines. La muestra

fue analizada por Laboratorios ANALQUIM LTDA (VER ANEXO VI), quien reportó los

siguientes resultados (Ver tabla 24):

Tabla.24 Resultados de laboratorio ANALQUIM LTDA

ENSAYO RESULTADO

Cinc mg/Kg 220000

Cromo mg/Kg 55000

FUENTE: Informe de resultados ANALQUIM LTDA, 2009

Se consideró que la composición del lodo no favoreció la calidad de los adoquines

fabricados debido a que:

El lodo al ser hidratado forma sales de Cinc, reacción que provocó reducción de la

resistencia y variación del tiempo de fraguado de la mezcla propuesta; las sales de esta

naturaleza son activas y retardantes de los procesos químicos del concreto.

79

Se observó que las concentraciones de Cromo y Cinc no presentan afinidad en la

formación de un concreto duro, causando una resistencia nula y desmoronamiento de

las piezas cuando fueron vaciadas del molde al momento de fraguar.

5.9 PRUEBA DE LIXIVIACIÓN

Las piezas fracturadas resultantes de la cocción se utilizaron para la determinación de

la prueba de lixiviación para los metales pesados Cinc y Cromo, en la tabla 25 se

muestra los valores de concentración de los metales Cinc y Cromo en el lixiviado,

análisis realizados por el Laboratorio ANALQUIM LTDA (VER ANEXO VII).

Tabla.25 Resultados prueba de lixiviación

Muestra Cinc mg/L Zn Cromo mg/L Cr

1 357 0,1

2 361 0,06

3 2,04 0,1 FUENTE: Informe de resultados. ANALQUIM LTDA, 2010

Determinación de no-peligrosidad: La determinación de no peligrosidad de las

muestras de lixiviación se establecieron por medio de la medición de las

concentraciones de los metales Cinc y Cromo. De acuerdo con la normatividad se

compararon los resultados de lixiviación (ver tabla 25) con los límites permisibles que

establece la norma (ver tabla 26), por lo tanto el metal que representa mayor riesgo

es el Cinc, por presentar concentraciones elevadas, mientras que el Cromo presentó

bajas concentraciones.

Tabla.26 Límites máximos permisibles para constituyentes tóxicos en el lixiviado

Metal pesado Límite mg/L Norma de Referencia

CINC 2 Resolución 3957 de 2009

CROMO 1 Resolución 3957 de 2009 FUENTE: Resolución 3957 de 2009

80

Hay que tener en cuenta que la movilidad del Cinc se vio beneficiada por el pH bajo,

facilitando su solubilidad.

Con respecto al Cromo las concentraciones descendieron, lo que indica su poca

solubilidad en el agua, esto se debe a que formó precipitados y fue adsorbida por la

fracción sólida de la muestra. Teniendo en cuenta que la movilidad del cromo es muy

limitada y depende del contenido de arcillas o texturas parecidas en la matriz sólida

que se encuentre.

Las pruebas de lixiviación realizadas demostraron que los límites de concentración del

Cromo presentaron características de no peligrosidad por retención de éste en la fase

sólida. Sin embargo, el residuo necesita un manejo especial al ser utilizado en otra

opción de reutilización, ya que pueden ser transportadas cantidades significativas de

otros metales pesados cuando se trabajan con superficies permeables.

5.10 ANÁLISIS DE COSTOS

El siguiente análisis de costos se realizó como ejercicio académico, puesto que no se

obtuvieron adoquines en las condiciones esperadas.

Para la implementación de la alternativa propuesta, fue necesario tener en cuenta los

siguientes aspectos:

Se tomó como base de cálculo la fabricación de 3000 unidades/día de adoquines para el inicio de la actividad.

El alcance del proyecto es la elaboración de adoquines concreto-lodo para vender.

La propuesta está proyectada para un periodo de prueba de 1 año, sin tener en cuenta la posible vida útil del producto.

Tasa de interés efectivo anual establecida por el Banco de la Republica 25.37%, corresponde al porcentaje más alto para el año 2010.

81

Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado la inversión a la que se vería

avocada la empresa sería la que se indica a continuación.

5.10.1 Análisis financiero de la alternativa A.

La alternativa A comprende los costos para adoquines elaborados con cemento.

5.10.1.1 Inversión inicial. En la tabla 27 se presenta los costos de inversión inicial.

Tabla.27 Costos de inversión inicial

Concepto Costo ($)

Compra del terreno 30.000.000

Adecuación del área 2.000.000

Invernadero (plástico, guaduas) 600.000

Sistema de hidratación 800.000

Mezcladora 2.800.000

Formaletas 1.000.000

Cortadora 2.800.000

Vibrador 2.800.000

Motores 1.600.000

Total inversión 44.400.000 FUENTE: Autora, 2010

En la figura 16 se muestra la anualidad para la alternativa A.

82

Figura 16. Diagrama de flujo efectivo Alternativa A

i = 25.37% anual

P = $44.400.000

Meses

A = ? $/mes


Determinación de la mensualidad: i = 25.37% anual / 12 meses = 2.112%

A = P (P/A, i , n)

A = $44.400.000 (A/P, 2.112% mensual, 6meses)

A= $44.400.000 (0.1792)

A= $7.956.480/mes

5.10.1.2 Costos adicionales. Los criterios que se tuvieron en cuenta para la

ejecución de la alternativa fueron (ver tabla 28):

Tabla.28 Parámetros a tener en cuenta

Cantidad de adoquines generados 60.000 unid./mes

Precio de venta adoquines $450

Nº de adoquines por año 720.000 unid.

Mano de obra 2 personas día

Salario $ persona / mes $515.000/mes.

Costo fijo m3 de acueducto $17.431,08/m3

Consumo m3 de acueducto $3.142,68/m3

Costo fijo m3 de alcantarillado $8.950,48/m3

Consumo m3 de alcantarillado $2.094,63/m3

Cemento $20.000 bulto contiene 50 kg.

Cemento para el mes 1.200 bultos FUENTE: Autora, 2010

4 3 2 1 6 5

83

5.10.1.3 Costos de operación y mantenimiento. A continuación en la tabla 29 se

mencionan los gastos a los que debe someterse la empresa durante la etapa de

operación y mantenimiento anualmente.

Tabla.29 Costos adicionales de operación y mantenimiento

Concepto Costo ($/mes)

1 2 3 4 …….. 12

Consumo de Agua y

alcantarillado*

235.873,96 235.873,96 235.873,96 235.873,96 P(m3/mes) =

Q*$/m3

P(m3/mes) =

Q*415$/m3

Cemento 24.000.000 24.000.000 24.000.000 24.000.000 24.000.000 24.000.000

Salarios 1.030.000 1.030.000 1.030.000 1.030.000 1.030.000 1.030.000

Asistencia Técnica

100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Tarifa de aseo 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630

Total **25.616.503,96

**25.616.503,96

**25.616.503,96

**25.616.503,96

**25.616.503,96

**25.616.503,96


* Calculado según tarifas de acueducto y alcantarillado cuando el consumo es mayor a

40m3. (Costo variable)

** Se calculó con el valor máximo que puede alcanzar el servicio de acueducto y

alcantarillado.

5.10.1.4 Ingresos por año. En la tabla 30 se indican los beneficios económicos a los

que la empresa se ve implicada por la comercialización y reducción de sanciones y

tarifas de aseo respectivamente.

84

Tabla.30 Ingresos

Concepto Meses

1 2 3 4 …….. 12

Venta de adoquines

27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000

Disminución tarifa de

aseo

180.850 180.850 180.850 180.850 180.850 180.850

Total 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 FUENTE: Autora, 2010

Los ingresos totales por año serían de: 326.170.200 $/año.

5.10.1.5 Determinación Punto de Equilibrio. Para este caso sólo se tomaron los

ingresos producto de la venta de adoquines.

Ingresos = Egresos

Costos totales del proyecto = C. de mantenimiento y operación + C. de inversión

Costos totales del proyecto = 307.398.047,5$/año+44.400.000$/año = 351.798.047,5

$/año.

Q= producción de adoquines en unidades. /año

Q x 450$/unid = 351.798.047,5 $/año

Q = (351.798.047,5)$/año /450 = 781.774 unidades de adoquines/año

Como se puede observar en la figura 17 se encuentra la gráfica de punto de equilibrio

con respecto a la producción de adoquines anual. Es evidente que el sistema implica

ingresos en aumento anualmente.

85

Figura 17. Gráfica punto de equilibrio Alternativa A


5.10.2 Análisis financiero de la alternativa B

La alternativa B comprende los costos para adoquines elaborados con cemento 50%-

lodo 50%.


86


Concepto Costo ($)







Cortadora 2.800.000

Vibrador 2.800.000

Motores 1.600.000

Molino 2.800.000

Lechos de secado 1.000.000

Recolectores 500.000

Contenedores 1.600.000


En la figura 18 se muestra la anualidad para la alternativa B.

Figura 18. Diagrama de flujo efectivo Alternativa B

i = 25.37% anual

P = $50.300.000

meses

A = ? $/mes


1 2 3 4 5 6

87


A = P (P/A, i , n)


A= $50.300.000 (0.1792)

A= $9.013.760/mes

5.10.2.2 Costos adicionales. Los criterios a tener en cuenta para la ejecución de la

alternativa se mencionan a continuación en la tabla 32.












Cemento para el mes 600 bultos FUENTE: Autora, 2010




88



1 2 3 4 …….. 12

Consumo de Agua y

alcantarillado*

235.873,96

235.873,96

235.873,96

235.873,96

P(m3/mes) =

Q*$/m3

P(m3/mes) =

Q*415$/m3

Cemento 12.000.000

12.000.000

12.000.000

12.000.000

12.000.000 12.000.000

Salarios 1.030.000

1.030.000

1.030.000

1.030.000

1.030.000 1.030.000

Asistencia Técnica

100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Tarifa de aseo 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630

Transporte 500.000 500.000 500.000 500.000 500.000 500.000

Total **14.116.503,96

**14.116.503, 96

**14.116.503,96

**14.116.503,96

**14.116.503,96

**14.116.503,96





alcantarillado.




Tabla.34 Ingresos

Concepto Meses

1 2 3 4 …….. 12

Venta de adoquines

27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000

Disminución tarifa de

aseo

180.850 180.850 180.850 180.850 180.850 180.850

Total 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850


89


5.10.2.5 Determinación de la utilidad por año. A partir de los anteriores datos se

obtiene la utilidad por año.

Utilidad = 326.170.200$/ año – (169.398.047,5+ 9.013.760)$/año

Utilidad = 147.758.392 $/año


ingresos producto de la venta de adoquines, de la siguiente forma:

Ingresos = Egresos

Costos totales del proyecto: C. de mantenimiento y operación + C. de inversión

Costos totales del proyecto: 169.398.047,5+50.300.000$/año= 219.698.047,5 $/año.


Q x 450$/unid = 219.698047,5 $/año

Q = (219.698047,5)$/año /450 = 488.217 unidades de adoquines/año

Como se puede observar en la figura 19 se encuentra la gráfica de punto de equilibrio

con respecto a la producción de adoquines anual. Es evidente que el sistema presenta


90

Figura 19. Gráfica punto de equilibrio Alternativa B


5.10.3 Análisis financiero de la alternativa C

La alternativa C comprende los costos para adoquines elaborados con cemento 40%-

lodo 60%.


91


Concepto Costo ($)







Cortadora 2.800.000

Vibrador 2.800.000

Motores 1.600.000

Molino 2.800.000





En la figura 20 se muestra la anualidad para la alternativa C.

Figura 20. Diagrama de flujo efectivo Alternativa C

i = 25.37% anual

P = $50.300.000

Meses

A = ? $/mes


1 2 3 4 5 6

92


A = P (P/A, i , n)


A= $50.300.000 (0.1792)

A= $9.013.760/mes

5.10.3.2 Costos adicionales. Los criterios tenidos en cuenta para la ejecución de la

alternativa fueron (ver tabla 36).
















93



1 2 3 4 …….. 12

Consumo de Agua y

alcantarillado*

235.873,96

235.873,96

235.873,96

235.873,96

P(m3/mes) =

Q*$/m3

P(m3/mes) =

Q*415$/m3

Cemento 9.600.000

9.600.000

9.600.000

9.600.000

9.600.000 9.600.000

Salarios 1.030.000

1.030.000

1.030.000

1.030.000

1.030.000 1.030.000

Asistencia Técnica

100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Tarifa de aseo 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630

Transporte 500.000 500.000 500.000 500.000 500.000 500.000

Total **14.116.503,96

**14.116.503, 96

**14.116.503,96

**14.116.503,96

**14.116.503,96

**14.116.503,96





alcantarillado.




Tabla.38 Ingresos

Concepto Meses 1 2 3 4 …….. 12

Venta de adoquines

27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000

Disminución tarifa de aseo

180.850 180.850 180.850 180.850 180.850 180.850

Total 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850



94


calculo la utilidad por año.

Utilidad = 326.170.200$/ año – (140.598.047,5+ 9.013.760)$/año

Utilidad = 176.558.392,5 $/año


ingresos producto de la venta de adoquines, entonces para el cálculo se procede a:

Ingresos = Egresos




Q x 450$/unid = 190.898047,5 $/año

Q = (190.698.047,5)$/año /450 = 423.774 unidades de adoquines/año

En la figura 21 se encuentra la gráfica de punto de equilibrio con respecto a la

producción de adoquines anual. Es evidente que el sistema presenta ingresos en

aumento anualmente.

Figura 21. Gráfica punto de equilibrio Alternativa C


95

5.10.4 Análisis financiero de la alternativa D

La alternativa D comprende los costos para adoquines elaborados con cemento 30%-

lodo 70%.



Concepto Costo ($)







Cortadora 2.800.000

Vibrador 2.800.000

Motores 1.600.000

Molino 2.800.000





En la figura 22 se muestra la anualidad para la alternativa D.

96

Figura 22. Diagrama de flujo efectivo Alternativa D

i = 25.37% anual

P = $50.300.000

Meses

A = ? $/mes



A = P (P/A, i , n)


A= $50.300.000 (0.1792)

A= $9.013.760/mes

5.10.4.2 Costos adicionales. Los criterios a tener en cuenta para la ejecución de la

alternativa serán los que se mencionan en la tabla 40.













1 2 3 4 5 6

97






1 2 3 4 …….. 12

Consumo de Agua y

alcantarillado*

235.873,96

235.873,96

235.873,96

235.873,96

P(m3/mes) =

Q*$/m3

P(m3/mes) =

Q*415$/m3

Cemento 7.200.000

7.200.000

7.200.000

7.200.000

7.200.000 7.200.000

Salarios 1.030.000

1.030.000

1.030.000

1.030.000

1.030.000 1.030.000

Asistencia Técnica

100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Tarifa de aseo 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630 250.630

Transporte 500.000 500.000 500.000 500.000 500.000 500.000

Total **14.116.503,96

**14.116.503, 96

**14.116.503,96

**14.116.503,96

**14.116.503,96

**14.116.503,96





alcantarillado.




98

Tabla.42 Ingresos

Concepto Meses 1 2 3 4 …….. 12

Venta de adoquines

27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000 27.000.000

Disminución tarifa de aseo

180.850 180.850 180.850 180.850 180.850 180.850

Total 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850 27.180.850




obtiene la utilidad por año.

Utilidad = 326.170.200$/ año – (111.798.043,2+ 9.013.760)$/año

Utilidad = 205.358.396,8 $/año


ingresos producto de la venta de adoquines, entonces para el cálculo se procede a:

Ingresos = Egresos



Q= producción de adoquines en unidades/año

Q x 450$/unid = 162.098.043,2 $/año

Q = 162.098.043,2 año /450 = 360.217 unidades de adoquines/año

Como se puede ver en la figura 23 se encuentra la gráfica de punto de equilibrio con

respecto a la producción de adoquines anual. Es evidente que el sistema presenta


99

Figura 23. Gráfica punto de equilibrio Alternativa D


5.10.5 Flujo efectivo

En la tabla 43 se encuentra el flujo efectivo de cada una de las alternativas propuestas.

Además, en el ANEXO VIII se encuentra la proyección de diez años de flujo de caja para las

mezclas cemento-lodo.

100

Tabla.43 Flujo Efectivo

VARIABLES A B C D

O 2,010 O 2,010 O 2,010 O 2,010

INGRESOS

326,170,200.00

326,170,200.00

326,170,200.00

326,170,200.00

COSTOS VARIABLES

293,838,047.52

155,838,047.52

140,598,036

111,798,036

COSTO FAB. FIJOS

12,360,000.00

12,360,000.00

12,360,000.00

12,360,000.00

GASTOS ADMON Y VENTA

1,200,000.00

1,200,000.00

1,200,000.00

1,200,000.00

DEPRECIACIÓN

1,830,000.00

1,830,000.00

1,830,000.00

1,830,000.00

AMORTIZACIÓN INTANGIBLE

7,956,480.00

9,013,760.00

9,013,760.00

9,013,760.00

UTILIDAD ANTES DE IMPUESTO

8,985,672.48

145,928,392.48

161,168,404.00

189,968,404.00

IMPUESTO 33%

2,965,271.92

48,156,369.52

53,185,573.32

62,689,573.32

UTILIDAD NETA

6,020,400.56

97,772,022.96

107,982,830.68

127,278,830.68

DEPRECIACIÓN

1,830,000.00

1,830,000.00

1,830,000.00

1,830,000.00

AMORTIZACIÓN INTANGIBLE

7,956,480.00

9,013,760.00

9,013,760.00

9,013,760.00

INVERSIÓN INICIAL 44,400,000.00

50,300,000.00

50,300,000.00

50,300,000.00

FLUJO DE CAJA

15,806,880.56

108,615,782.96

118,826,590.68

138,122,590.68


101

Análisis Financiero: Después de analizar las cuatro alternativas, se puede decir de manera

clara que la alternativa D es la más viable, puesto que tiene menos costos debido a la

utilización en menor proporción del concreto (30%) y de una mayor utilización de lodo

(70%) que es más económico. Es importante mencionar que con la alternativa ‘D’ se

proyecta una utilidad neta de $127.278.830,68 es decir un 15,16% más que la alternativa

C, 23,18% más que la B y un 95,17% más que la alternativa que solo utiliza cemento.

102

CONCLUSIONES

Dadas las características físico-químicas del lodo permite establecer la complejidad

de su composición, ya que estos contienen altas concentraciones de metales

pesados que dificultan su aglutinamiento, debido a la formación de sales que a su

vez variaron el tiempo del fraguado y retardaron el proceso químico que no

permitió organizar la estructura molecular para dar estabilidad al material sólido.

De acuerdo con la NORMA ICONTEC 110 la consistencia normal de la mezcla

cemento-lodo se ve afectada por la naturaleza del lodo, debido a que éste absorbe

más rápido el agua y su cantidad debe ser aumentada a medida que aumenta la

presencia de lodo en la mezcla, de esta forma se observó que el cemento no

alcanza a hidratarse lo suficiente, dificultando así la estructura ordenada entre sus

moléculas y afectando su calidad.

De acuerdo con la NORMA ICONTEC 118 los adoquines obtenidos en las diferentes

mezclas con lodo no son aptos como material de construcción, ya que presenta un

falso fraguado y resistencia nula.

Las propiedades mecánicas del cemento mezclado con el lodo presentan una baja

calidad de las piezas obtenidas; como se pudo ver, a medida que aumentaba el

porcentaje de presencia de lodo la resistencia disminuía.

La humedad, el tiempo de cocción, la presencia de materia orgánica y metales

pesados son determinantes en las propiedades mecánicas de las piezas elaboradas

con cemento, debido a que este se ve directamente influenciado con la resistencia

del material obtenido.

Las proporciones altas de lodo hacen perder resistencia a la mezcla.

103

Aunque el lodo es considerado una buena alternativa para la fabricación de piezas

de construcción se debe tener buen control sobre éste, porque pierde fácilmente

sus propiedades con respecto a la humedad y el tiempo, debido a su naturaleza.

El producto y el proceso de producción no son compatibles desde la perspectiva

ambiental, debido a que las trazas contaminantes no quedan encapsuladas, sino

que además el material permite su movilidad, presentando un inevitable grado de

lixiviación.

No se consideró necesario realizar pruebas de resistencia como lo estipulan las

Normas Técnicas para el sector de la construcción, ya que los cubos se

desmoronaban con solo su manipulación manual.

Con respecto a la evaluación de costos la producción de adoquines de cemento-

lodo se puede establecer una supuesta viabilidad ya que la disminución en los

costos permitiría una economía en el costo del producto final, pero no en la

determinación de la calidad del producto.

La demanda de agua aumenta en proporción a la presencia de lodo en la mezcla.

La implementación de la metrología propuesta permitió hacer seguimiento al

proyecto planteado.

Como aporte a la Ingeniería Ambiental se pudo establecer que las trazas

contaminantes de los metales Cinc y Cromo no se encapsularon en la mezcla, ya

que se buscaba comprobar que los contaminantes no se siguieran movilizando y

contaminando.

104

RECOMENDACIONES

Experimentar la producción de adoquines con lodos de galvanotecnia, con la

mezcla de arena u otro material que puede contribuir a la cohesión entre las

partículas, además de las diferentes porciones de lodo presentes en la mezcla.

Teniendo en cuenta que el lodo presenta una alta concentración de metales

pesados, vale la pena desarrollar un proceso de recuperación de metales o un

proceso de fitorremediación para disminuir la presencia de las trazas

contaminantes.

Para próximas investigaciones se deben tener en cuenta la presencia de otros

metales pesados, además del Cinc y el Cromo, teniendo en cuenta que esto

depende del proceso de recubrimiento efectuado.

En el proceso de molienda del lodo se debe tener en cuenta el control del material

particulado ya que éste se moviliza fácilmente.

Se debe establecer control de lixiviados para evitar la movilidad de trazas

contaminantes.

Establecer la concentración adecuada y la presencia de metales que no afecten la

resistencia del producto.

105

BIBLIOGRAFÍA

ACERCAR, Ventanilla de asistencia técnica ambiental para la Mipyme: Descripción del

proceso Galvánico. Manual de buenas prácticas [online]. Colombia 2008. Available from

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CIENCIA DEL SUELO. Método de análisis de lodos y suelos. Servicio Agrícola y Ganadero

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<www.sag.gob.cl/pls/portal/docs/PAGE/PG_SAG_BIBLIOTECA/BIBL_MEDAMB/.../METOD

OS_LODOS_SUELOS.PDF ->.

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spanol/tabla-periodica.htm+lenntech.com/espanol/tablaperiodica.htm&cd

=1&hl=es&ct=clnk&gl=co., 2007.

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para el sector industrial de la galvanotecnia en la ciudad de Bogotá D.C.: Efectos

ambientales y toxicológicos. Bogotá, 2001. p. 25. Trabajo de grado (Ingeniero Ambiental y

Sanitario). Universidad de la Salle. Facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria.

http://www.acercar.org.co/industria/manuales/%20galvanotecnia.html

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:VoiPWprbtwgJ:lenntech.com/espanol/tabla-periodica.htm+lenntech.com/espanol/tablaperiodica

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106

MONTANI, Rick. La Carbonatación, enemigo olvidado del concreto: ¿Qué es la

carbonatación?. México. [online] México,2000. Available from Internet:

http://www.imcyc.com/revista/2000/dic2000/carbonatacion.htm

MORENO GRAU, María Dolores. Toxicología Ambiental. Evaluación del riesgo para la salud

humana. Metales: Cinc y Cromo. España: McGraw Hill, 2003. p. 206-208, 212-214. ISBN

84-481-3781-7.

OLIVEROS MORENO, Liliana Paola. y RODRÍGUEZ CASTAÑEDA, Adriana ANGÉLICA.

Diagnóstico de dos industrias en el sector de galvanostegia en el proceso de anodizado y

Cincado a través de eco-indicadores para plantear alternativas de reducción en el

consumo de materia prima y en la producción de residuos: Proceso de galvanostegia.

Bogotá, 2003. 142 p. Trabajo de grado (Ingeniero Ambiental y Sanitario). Universidad de la

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SÁNCHEZ, De Guzmán Diego. Tecnología del concreto y del mortero: Granulometría,

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Bogotá: Bhandar Editores Ltda, 2001. p. 72, 111-148. Biblioteca de la construcción; ISBN

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VALDEZ, Pedro Leobardo et al. : Influencia de la carbonatación en morteros de cemento Pórtland y ceniza volante: Influencia de la carbonatación. Redalyc [online], Enero-Marzo 2010. México. Available from Internet: <http://redalyc.uaemex.mx/pdf/404/40411427005.pdf>

VEGA, Miguel, BONTOUX Laurent y PAPAMELETIOU Demóstenes. Tratamiento de las

aguas residuales urbanas en Europa: el problema de los lodos. Revista DYNA [online],

Enero-Febrero 2005. Available from Internet:

<www.revistadyna.com/Dyna/Descarga.asp?idMenu=0&Tipo=1&Id=760>.

http://www.revistadyna.com/Dyna/Descarga.asp?idMenu=0&Tipo=1

107

ANEXOS

109

ANEXO I.

FICHA TÉCNICA GEOTEXTIL

112

ANEXO II.

PERMISO PARA RETIRAR LOS LODOS

113

ANEXO III.

PROTOCOLOS DE ANÁLISIS DE LODOS

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

CONTENIDO DE HUMEDAD Secado a 105ºC±5ºC (lodos)

1. PRINCIPIO Y ALCANCE

1.1 La muestra de lodo tal como se recibió, la muestra de lodo secado a 40ºC±2ºC se secan a una temperatura de 105ºC±5°C hasta masa constante. La fracción remanente corresponde al contenido de sólidos totales y la fracción evaporada, al contenido de agua.

Nota 1 Se asume que la pérdida de masa del lodo a 105ºC ±5°C es agua; sin embargo, en algunos materiales, una parte del contenido orgánico se descompone a esa temperatura y en otros, algunos minerales, como el yeso, pierden agua de cristalización.

1.2 Los valores del contenido de agua de las muestras secadas a 40ºC±2ºC se usan para corregir los resultados de los análisis que dependen de la masa, a una base común de lodo a 105ºC±5ºC. 1.3 Este método es aplicable a lodos generados en plantas de tratamiento de aguas servidas.

2. EQUIPOS Y MATERIALES

2.1 Estufa para secado, de preferencia con ventilación forzada de aire, capaz de

mantener una temperatura de 105ºC ±5°C.

2.2 Recipientes de metal o vidrio con tapa hermética, capacidad de 25 a 100 ml.

2.3 Desecador con un agente secante activo.

114

2.4 Balanza de precisión con una exactitud de 0,01 g.

3. PROCEDIMIENTO

3.1 Pesar en un recipiente con tapa (2.2), seco y pre-pesado:

3.1.1 25 g a 50 g (exactitud 0,01 g) de lodo tal como se recibió homogenizado, o 3.1.2 10 g a 20 g (exactitud 0,01 g) de lodo seco a 40ºC±2ºC y <2 mm

3.2 Colocar en la estufa (2.1) y secar destapado a 105ºC±5°C hasta masa constante.

Nota 2 Se entiende por masa constante a la masa alcanzada cuando, durante el proceso de secado, la diferencia entre dos pesadas sucesivas de la muestra fría, con un intervalo de 4 horas entre ellas, no excede del 0,1 % de la última masa determinada.

3.3 Retirar de la estufa, tapar y enfriar en desecador (2.3).

3.4 Sacar del desecador y pesar inmediatamente con una exactitud de 0,01 g.

Nota 3 Terminado el análisis, la muestra residual de lodo tal como se recibió puede usarse para determinar el contenido de sólidos volátiles y/o de materia orgánica.

4. CÁLCULOS 4.1 Calcular el contenido de agua del lodo, expresado en porcentaje en base a la

muestra tal como se recibió, según:

a= Peso del lodo húmedo + cápsula (g)

b= Peso del lodo seco a 105°C±5°C + cápsula (g)

c= Peso de la cápsula (g)

115

5. BIBLIOGRAFÍA

COMISIÓN DE NORMALIZACIÓN Y ACREDITACIÓN (CNA) DE LA SOCIEDAD CHILENA DE LA CIENCIA DEL SUELO. Método de análisis de lodos y suelos. Servicio Agrícola y Ganadero [online]. Chile 2007. Available from Internet: < www.sag.gob.cl/pls/portal/docs/PAGE/PG_SAG_BIBLIOTECA/BIBL_MEDAMB/.../METODOS_LODOS_SUELOS.PDF ->.

116

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

LABORATORIO DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD

PROYECTO:

PROCEDENCIA DE LA MUESTRA:

DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA:

CONDICIÓN DE LA MUESTRA: ALTERADA □ INALTERADA □

MÉTODO SECADO AL HORNO

MUESTRA N° a b c CONT. HUMEDAD (%)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

HUMEDAD PROMEDIO (%)=

OBSERVACIONES:

117

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA


ANÁLISIS ESTADÍSTICO

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD

media aritmética:

La varianza:

118

desviación estándar:

119

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

SÓLIDOS VOLÁTILES Calcinación a 550±C (lodos)


1.1 El residuo de la determinación del contenido de agua en la muestra de lodo tal

como se recibió se calcina a 550±C hasta masa constante. Los sólidos remanentes corresponden a los sólidos fijos, mientras que la pérdida de masa a los sólidos volátiles.

1.2 Este método es aplicable a los lodos generados en plantas de tratamiento de aguas servidas.

2. INTERFERENCIAS

2.1 La determinación de bajas concentraciones de sólidos volátiles en presencia de altas concentraciones de sólidos fijos puede estar sujeta a un error considerable.

2.2 Los residuos altamente alcalinos pueden reaccionar con la sílice de la muestra o de las cápsulas que contienen sílice.


3.1 Mufla que permita operar a 550±C.

3.2 Desecador con un agente secante activo.

4. PROCEDIMIENTO

4.1 Introducir en la mufla el recipiente con el residuo seco a 105ºC±5ºC del lodo tal como se recibió.

4.2 Lentamente subir la temperatura a 550ºC. Mantener la temperatura durante 2 h y

120

luego lentamente disminuirla hasta menos de 200ºC.

4.3 Sacar, colocar en el desecador y dejar enfriar hasta temperatura ambiente.

4.4 Pesar y registrar la masa con una exactitud de 0,01 g.

Nota 1 Las determinaciones de los duplicados deben estar dentro del 5% de su valor promedio.

5. CÁLCULOS

5.1 Calcular los sólidos volátiles, expresados en porcentaje en base a la muestra tal

como se recibió, según:

a= Peso del lodo + cápsula antes de la calcinación (g)

b= Peso del lodo seco a 105°C±5°C + cápsula después de la calcinación (g)

m= Peso del lodo + cápsula tal como se recibió (g)

6. BIBLIOGRAFÍA


121

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA


SÓLIDOS VOLÁTILES Calcinación a 550±C (lodos)

PROYECTO:




MÉTODO SECADO AL HORNO

MUESTRA N° a b m SÓLIDOS VOLÁTILES (%)

1

2

3

4

5

SÓLIDOS VOLÁTILES PROMEDIO (%)= OBSERVACIONES:

122

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA



SÓLIDOS VOLÁTILES

media aritmética es:

La varianza es:

123

desviación estándar es:

124

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

pH


1.1 Se prepara una suspensión de lodo tal como se recibió, con agua en una

proporción muestra: agua de 1:2,5, y en el sobrenadante se determina el valor del pH-H2O, con un medidor de pH.

Nota 1 La determinación de pH en lodos debe realizarse tan pronto como sea posible.

1.2 Este método es aplicable a lodos generados en plantas de tratamiento de aguas servidas.


2.1 Agitador o varillas de vidrio o de plástico. 2.3 Medidor de pH con ajuste de pendiente y control de temperatura.

2.4 Electrodos de vidrio y de referencia o electrodo combinado.

2.5 Termómetro.

2.6 Recipientes de vidrio o plástico de al menos 100 ml de capacidad.

3. REACTIVOS

3.1. Durante el análisis, usar solamente reactivos de grado analítico reconocido y agua de clase 2 según la NCh426/2 (CE <0,5 mS/m a 25ºC) y con un pH > 5,6.

3.2. Soluciones tampones de pH 4,00, 7,00 y 9,22 (o similares). Disponibles en el

comercio.

125

4. PROCEDIMIENTO 5.11 Pesar en un recipiente 20 g (exactitud 1 g) de lodo tal como se recibió.

5.12 Agregar 50 mL de agua a una temperatura entre 20ºC y 25ºC.

5.13 Agitar vigorosamente la suspensión durante 5 min usando el agitador y

dejar reposar al menos 2 h pero no más de 24 h.

Alternativa: Agitar en forma manual y periódicamente durante 2 h, con la ayuda de una varilla de vidrio o de plástico.

5.14 Calibrar el medidor de pH siguiendo las instrucciones del fabricante y usando dos soluciones tampones, la de pH 7,00 y una de las siguientes: pH 4,00 o pH 9,22, dependiendo del rango de pH de las muestras.

5.15 Si los electrodos no cuentan con termocompensador, medir la temperatura de la suspensión y cuidar que no difiera en más de 1°C de la temperatura de las soluciones tampones que deben estar a una temperatura de 20ºC a 25ºC.

5.16 Agitar la suspensión e introducir los electrodos.

5.17 Leer el pH una vez estabilizada la lectura y anotar el valor con dos decimales.

Nota 2 La lectura puede considerarse estable cuando el pH medido en un período de 5 segundos varía en no más de 0,02 unidades. El tiempo requerido para la estabilización generalmente es de 1 min o menos, pero puede depender de numerosos factores, incluyendo:

el valor del pH (en muestras alcalinos es más difícil alcanzar la estabilización de la lectura del pH);

la calidad y antigüedad del electrodo de vidrio;

las diferencias de pH entre las muestras de una serie;

la mezcla mecánica de la suspensión antes de la medición de pH puede ayudar a lograr lecturas estables en un menor tiempo. Nota 3 En las muestras con alto contenido de materia orgánica y/o arcilla puede ocurrir el efecto de suspensión. En los suelos calcáreos la suspensión puede adsorber dióxido de carbono. En estas circunstancias y en los suelos con bajos contenidos de sales solubles es difícil alcanzar un pH estable.

126

6. BIBLIOGRAFÍA


127

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA


pH

PROYECTO:




MUESTRA N° Valor

1

2

3

4

5

pH PROMEDIO (%)= OBSERVACIONES:

128

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA



pH


La varianza es:

129

desviación estándar es:

130

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

MATERIA ORGÁNICA Calcinación a 550ºC (lodos)

1. PRINCIPIO Y ALCANCE 1.1 Las muestras de lodos y de suelos, secadas a 40ºC±2ºC, <2 mm y libre de materiales

inertes y de carbonatos, se calcinan a 550ºC. Se asume que el material volatilizado es la fracción orgánica.

Nota 1 Si la muestra de lodo no contiene carbonatos, se calcula el contenido de materia orgánica a partir de los sólidos volátiles.

1.2 Este método es aplicable a los lodos generados en plantas de tratamiento de aguas servidas.


2.1 Crisoles o cápsulas de porcelana, cuarzo o metal de 25-50 ml de capacidad. 2.2 Estufa con circulación de aire capaz de mantener una temperatura de 100ºC±5°C. 2.3 Desecador con vacío con un agente secante activo. 2.4 Mufla.

3. REACTIVOS

3.1 Ácido clorhídrico, HCl, 0,05 mol/L.

131

4. PROCEDIMIENTO 4.1 Detectar la presencia de carbonatos agregando gotas de ácido clorhídrico a una porción de la muestra seca a 40ºC±2ºC de lodo. Nota 2 La aparición de burbujas indica presencia de carbonatos.

4.2 Alternativas: 4.2.1 La muestra de lodo y carbonatos: 4.2.1.1 Colocar entre 10 g y 20 g (exactitud 0,01 g) de muestra seca 40ºC±2ºC y <2mm de lodo en un crisol o cápsula pre-pesado. 4.2.1.2 Agregar ácido clorhídrico hasta que cese el burbujeo. 4.2.1.3 Secar en estufa a 105°C±5ºC durante 2 horas. 4.2.2 La muestra de lodo no contiene carbonatos: 4.2.2.1 No continuar el análisis y calcular el contenido de materia orgánica según 5.2.1. 4.2.2.2 Usar la muestra seca a 105ºC±5ºC después de la determinación del contenido de agua. 4.2.2.3 Colocar en la mufla y lentamente subir la temperatura a 550ºC. Mantener la temperatura durante 2 h y luego lentamente disminuirla a menos de 200ºC. 4.2.2.4 Sacar, colocar en el desecador y dejar enfriar hasta temperatura ambiente. 4.2.2.5 Pesar y registrar la masa con una exactitud de 0,001 g. 5. CÁLCULOS

6.1 Lodos con carbonatos 6.1.1 Calcular el contenido de materia orgánica en la muestra de lodo que posee

carbonatos, en base a muestra seca a 105ºC±5ºC, según:

132

a= masa en g de lodos seco a 40°C±2°C + cápsula b= masa en g del residuo de calcinación + cápsula c= masa en g de la cápsula fh=factor de corrección por humedad

6.2 Lodos sin carbonatos

6.2.1 Calcular el contenido de materia orgánica en la muestra de lodo que no posee carbonatos, en base a muestra seca a 105ºC±5ºC, según:

Sólidos volátiles (%)= Sólidos Volátiles Humedad tcsr= Porcentaje de agua en la muestras tal como se recibió.

7. BIBLIOGRAFÍA


133

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA



PROYECTO:




MÉTODO LODOS CON CARBONATOS

MUESTRA N° a b c MATERIA ORGÁNICA (%)

1

2

3

4

5

MATERIA ORGÁNICA PROMEDIO (%)= OBSERVACIONES:

134

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA



PROYECTO:




MÉTODO LODOS SIN CARBONATOS

MUESTRA N° SÓLIDOS VOLÁTILES (%) HUMEDAD tcsr MATERIA ORGÁNICA (%)

1

2

3

4

5

MATERIA ORGÁNICA PROMEDIO (%)= OBSERVACIONES:

135

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA



MATERIA ORGÁNICA


La varianza es:

136

la desviación estándar es:

137

ANEXO IV.

NTC. 110

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

MÉTODO PARA DETERMINAR LA CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO

NORMA ICONTEC 110

1. OBJETO

Esta norma tiene por objeto establecer el método de ensayo para determinar la consistencia normal del cemento hidráulico mediante el Aparato de Vicat.

2. APARATOS

2.1. Balanzas.

2.2. Pesas.

2.3. Probetas.

2.4. Aparato de Vicat:

2.4.1. El aparato de Vicat consiste en un soporte que sostiene un vástago móvil,

que pesa 300 g. uno de sus extremos es el sondeo, tiene 10 mm de diámetro y una longitud mínima de 50 mm; el otro extremo tiene una aguja de 1 mm de diámetro y 50 mm de longitud. El vástago es reversible; puede sostenerse en la posición deseada por medio de un tornillo y tiene un índice ajustable que se mueve sobre una escala graduada en milímetros, rígidamente unida al soporte.

2.4.2. El aparato de Vicat también puede estar construido con vástago no reversible, pero en este caso debe tener un dispositivo de compensación de su peso que permita cambiar la sonda por la aguja. Las secciones terminales de la aguja y de la sonda deben ser planas y perpendiculares al eje del vástago.

138

2.4.3. El molde en el cual se coloca la pasta debe ser de forma tronco-cónica y su base mayor debe reposar sobre una placa de vidrio. El molde debe ser de material no absorbente que resista física y químicamente el ataque de las pastas de cemento.

2.4.4. El aparato de Vicat y el molde deben cumplir con los siguientes requisitos:

Peso de Vicat 300±0,5 g

Diámetro de la sonda 10±0,05 mm

Diámetro de la aguja 1±0,05 mm

Diámetro interior de la base mayor 70±3 mm

Diámetro interior de la base menor del molde 60±3 mm

Altura del molde 40±1 mm

2.4.5. La escala graduada, comparada con una escala patrón de exactitud de ±0,1 mm en todos sus puntos, no debe indicar en ninguna parte una desviación mayor de 0,25 mm.

139

3. PREAPARACIÓN DE LA PASTA DE CEMENTO

Sobre una superficie pulida y no absorbente se coloca una muestra de 500 g en forma de cono y se le hace un hoyo en el centro. Se vierte en el hoyo una cantidad medida de agua destilada y luego, con ayuda de un palustre, se pasa al hoyo el cemento seco que la rodea exteriormente, empleando en esta operación 30 s. durante los siguientes 30 s, mientras se permite la absorción del agua, el centro que aún permanece seco en el exterior del cono debe mezclarse suavemente mediante el palustre con la pasta húmeda para reducir las pérdidas por evaporación y facilitar la completa absorción. Luego se termina la operación mezclando y amasando con las manos, continua y vigorosamente durante 90 segundos en este último paso y en el siguiente, el operador debe usar guantes de caucho bien ajustados.

4. LLENADO DE MOLDES La pasta de cemento preparada como se describe en el numeral 3, se moldea con las

140

manos dándole forma esférica y se lanza 6 veces de una mano a otra a través de una distancia de unos 15 cm. con la muestra que permanece en una mano se llena completamente por la base mayor el molde, sostenido en la otra, quitando el exceso en esta base con un solo movimiento de la palma de la mano. Se coloca la placa de vidrio sobre la mayor, se voltea el conjunto y con ayuda de un palustre se quita el exceso en la base menor. Finalmente el conjunto se sacude suavemente. Durante estas operaciones se debe tener el cuidado de no comprimir la muestra.

5. DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA NORMAL

El conjunto constituido por la placa, la pasta y el molde se lleva al aparato y se centra debajo del vástago, se hace descender el mismo hasta que el extremo de la sonda haga contacto con la superficie de la pasta y se fija en esta posición por medio del tornillo. Se lee la posición inicial el índice en la escala o se desplaza el índice hasta que coincida con el cero superior; 30 s después de terminada la mezcla se suelta el vástago cuidando que el aparato no esté sometido a ninguna vibración durante el ensayo. Se considera que la pasta tiene consistencia normal cuando la sonda penetra 10±1 mm 30 s después de haber sido soldada. Si no se obtiene la consistencia normal en el primer ensayo, debe repetirse toda operación, variando la cantidad de agua, hasta obtenerla; cada vez hay que emplear cemento nuevo.

6. INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

La cantidad de agua requerida para obtener una pasta de consistencia normal debe expresarse con un porcentaje en peso del cemento seco.

7. BIBLIOGRAFÍA

ICONTEC, Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción / / ICONTEC. NORMA ICONTEC 110. p. 227-228 Bogotá.: ICONTEC, 1989. ISBN 958-9042-44-9.

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FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

CONSISTENCIA NORMAL

PROYECTO:



PORCENTAJE DE LA MEZCLA:

MÉTODO APARATO DE VICAT

LECTURA N° HORA DURACIÓN (min) PENETRACIÓN DE LA AGUJA (mm)

OBSERVACIONES:

142

ANEXO V.

NTC. 118

FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

MÉTODO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE FRAGUADO DEL CEMENTO HIDRÁULICO

MEDIANTE EL APARATO DE VICAT

NORMA ICONTEC 118

1. OBJETO

Esta norma tiene por objeto establecer el método de ensayo para determinar el tiempo de fraguado del cemento hidráulico mediante el aparato de Vicat.

2. APARATOS

2.1. BALANZAS: Deben cumplir con los siguientes requisitos: el error admisible para las balanzas en uso bajo carga de 1000 g puede ser hasta de ± 1 g y para balanzas nuevas puede llegar hasta la mitad de dicho valor. La sensibilidad recíproca no debe ser mayor del doble del error admisible.

2.2. PESAS: El error admisible de las pesas en uso, empleadas para pesar el cemento, debe estar de acuerdo con los valores indicados en la Tabla 1; para pesas nuevas debe ser como máximo la mitad de dichos valores.

2.3. PROBETAS: Para medir el agua de amasado deben tener una capacidad de 20°C, de 150 a 200 ml. El error admisible debe ser hasta de ±1 ml. Las líneas de graduación principales, deben ser círculos y estar enumeradas; las intermedias deben ocupar por lo menos un quinto de la longitud de las principales y las menores un séptimo. Se pueden omitir las graduaciones para los primeros 5 ml en probetas de 150 ml y para los primeros 10 ml en las de 200 ml.

2.4. APARATO DE VICAT: Debe cumplir con los requisitos establecidos en la NORMA 110.

143

TABLA 1

Error admisible en las pesas

PESO

g

ERROR ADMISIBLE

*g

500

300

250

200

100

50

20

10

5

2

1

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

2.4.1 La pasta se debe colocar en un anillo tronco-cónico, el cual se colocará con su base mayor sobre una placa de vidrio, aproximadamente de 10 cm de lado. El molde debe fabricarse de material no corrosible ni absorbente, con un diámetro interior de 70 mm en la base, 60 mm en la parte superior y de altura de 40 mm. 2.4.2 El aparato de Vicat y el molde deben cumplir con los requisitos establecidos en la norma ICONTEC 110. 2.4.3 La escala graduada, comparada con una escala patrón con exactitud de 0,1 mm en todos sus puntos, no debe indicar en ninguna parte una desviación mayor de 0,25 mm.

2.5 RELOJ: Que permita lectura en segundos. 2.6 PREPARACIÓN DE LA PASTA DE CEMENTO: Deben mezclarse 500 g de cemento con el porcentaje de agua de amasado requerido para la consistencia normal.

3. PROCEDIMIENTO

3.1 MOLDEO DE LA MUESTRA DE ENSAYO: A la pasta preparada como se describe en el numeral 2.6 rápidamente debe dársele forma esférica con las manos enguantadas, y

144

lanzarse de una mano a la otra por seis veces estando éstas a una distancia de 15 cm aproximadamente. Se toma el molde en una mano y con la otra se presiona la bola hasta llenar el molde completamente por la base mayor. Quitar el exceso en esta base con un solo movimiento de la palma de la mano. El molde debe colocarse con su base mayor sobre la placa de vidrio y el exceso de pasta que aparezca en la base menor debe retirarse pasando el palustre oblicuamente de modo que forme un ángulo pequeño con el borde superior del molde. La parte superior de la muestra, debe alisarse si es necesario, con una o dos pasadas del borde del palustre. Durante las operaciones para retirar el exceso de pasta y para alisarla, debe tenerse cuidado de no ejercer presión alguna sobre ésta. La muestra debe permanecer en el molde, soportada por la placa de vidrio, durante todo el periodo de ensayo.

3.2 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE FRAGUADO: La muestra usada para determinar el tiempo de fraguado debe mantenerse dentro de la cámara húmeda durante 30 min después del moldeo sin que sufra ninguna alteración. Debe determinarse la penetración de la aguja de 1 mm en ese instante y luego debe repetirse cada 15 minutos hasta que se obtenga una penetración de 25 mm o menos. Para el ensayo de penetración, debe hacerse descender la aguja del vástago hasta que su extremo haga contacto con la superficie de la pasta de cemento. Debe apretarse el tornillo de sujeción y ajustarle el índice, en el extremo superior de la escala o anotarse la lectura para determinar la penetración. (Si durante las primeras lecturas la pasta se mantiene blanda, el descenso del vástago se puede hacer lentamente para evitar la deformación, pero la determinación de penetración para el tiempo de fraguado se deben hacer aflojando el tornillo.)

3.3 Las penetraciones deben estar separadas por lo menos 6 mm entre sí y 10 mm del borde interior del molde. Se anotan los resultados de todas las penetraciones y por interpolación debe determinarse el tiempo obtenido para una penetración de 25 mm, el cual indica el tiempo de fraguado.

4. INDICACIONES COMPLEMENTARIAS

El aparato no debe estar sometido a vibraciones durante la penetración. La aguja, de 1 mm de diámetro, debe ser recta y estar limpia, pues la acumulación de pasta en su periferia puede retardar la penetración así como la pasta en la punta puede aumentar la misma. Esta determinación es solo aproximada puesto que no sólo la temperatura y la cantidad de agua de amasado influyen en el resultado, sino también la temperatura y la humedad del aire.

145

5. BIBLIOGRAFÍA

ICONTEC, Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción / / ICONTEC. NORMA ICONTEC 118. p. 237-238. Bogotá.: ICONTEC, 1989. ISBN 958-9042-44-9.

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FACULTAD DE

INGENIERÍA

AMBIENTAL Y

SANITARIA

LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

TIEMPO DE FRAGUADO

PROYECTO:



PORCENTAJE DE LA MEZCLA:

MÉTODO APARATO DE VICAT

LECTURA N° HORA DURACIÓN (min) PENETRACIÓN DE LA AGUJA (mm)

OBSERVACIONES:

147

ANEXO VI.

INFORME DE RESULTADOS DE LABORATORIO

LODOS

150

ANEXO VII.

INFORME DE RESULTADOS DE LABORATORIO

LIXIVIADO

157

ANEXO VIII.

PROYECCIÓN FLUJO EFECTIVO

reutilización de lodos inorgánicos procedentes de la

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