Adsorción con carbón activado e intercambio iónico para controlar de forma eficiente las aguas subterráneas muy duras

Adsorción con carbón activado e intercambio iónico para controlar de forma eficiente las aguas subterráneas muy duras.

Ruiz Sirlopu José Ronald1, jsirlopu@unitru.edu.pe 

1Universidad Nacional de Trujillo, Escuela de Postgrado

A nivel global el agua potable se obtiene de manera superficial y subterránea; en las aguas superficiales, la dureza del agua se monitorea por el método convencional de tratamiento del agua potable, además el agua superficial potabilizada se encuentra dentro de los límites máximos permisibles (LMP) ,dureza de 500 mg/L, pH de 6,5 a 8,5, sulfatos de 250 mg/L, de nitratos 50 mg/L (OMS, 2011). Caso contrario de las aguas subterráneas que se potabilizan utilizando mayormente el método de desinfección simple y dependiendo de las características geológicas de cada lugar pueden presentar concentraciones de dureza desde 150 mg/L a 300 mg/L, que corresponde a agua dura y mayor a 300 mg/L que corresponde a agua muy dura, por ejemplo en china se presenta concentraciones de agua subterránea de 226 mg/L  a superiores de 1000 mg/L, también  los pozos de agua subterránea  al sur oeste de Trujillo presenta una dureza 580 mg/L (Hu, y otros, 2021; Sunass, 2021). El agua potable con una dureza mayor a la recomendada por la OMS provoca incrustaciones en las tuberías, equipos en la red de distribución e instalaciones domiciliarias (Bond, y otros, 2019), además su consumo a largo plazo puede llegar a causar daños a la salud (Kozisek, 2020). En consecuencia, nace la pregunta ¿Que método controla mejor las concentraciones de dureza muy duras en aguas subterráneas? El método que mejor controla las concentraciones de dureza muy duras en aguas subterráneas, es el método combinado de adsorción por carbón activado e intercambio iónico por resinas. Para exponer lo mencionado se explica a continuación, agua subterránea y su proceso de potabilización, la dureza del agua, los métodos de tratamiento de la dureza del agua y finalmente sustentar por qué el método combinado de adsorción e intercambio iónico es el más conveniente.

El agua subterránea está bajo tierra, esta agua necesita menos procesamiento para su uso, porque no contiene sustancias en suspensión y su calidad es mejor que el agua superficial, presentan en general una temperatura relativamente constante, turbiedad baja, hierro y magnesio disueltos, sílice, nitratos y en algunos casos bacterias (Hailua, Tilahuna, Brhanea, Resky, & Sahub, 2019). La desinfección del agua subterránea se puede realizar por varios desinfectantes, los más usados son: cloro gas (Cl2), hipoclorito de sodio (NaOCl, 12.5 % de cloro disponible), hipoclorito de calcio [Ca(OCl)2, 70 % de cloro disponible], cloraminas, dióxido de cloro (ClO2) y ozono (O3); se usa cloro, hipoclorito de sodio o calcio cuando el agua a desinfectar no contenga materia orgánica o contaminantes químicos que produzcan compuestos que le den mal sabor al agua, además El ozono produce mayor eficiencia porque afecta virus, fragancias, colorantes y algunos oligoelementos, el ozono produce la mejor desinfección con un coste superior al cloro o sus compuestos (Adawiyah Mansor & Soo Tay, 2019). Por consiguiente, la desinfección en los pozos subterráneos se realiza mayormente por el método de cloración porque es más económico y garantiza el suministro seguro de agua potable, además proporciona una serie de ventajas en términos de eficiencia y eficacia de los biocidas, utilidad y mantenimiento de la concentración residual en el agua.

La dureza del agua es la concentración de minerales disueltos en un volumen determinado de agua, la dureza es causada por la presencia de iones metálicos divalentes que pueden ser calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+), estroncio (Sr2+), fierro (Fe2+) y aniones como bicarbonato (HCO3–), sulfatos (SO42–), cloruros (Cl–), nitratos (NO–3) y silicatos, estos elementos químicos se encuentran formando de compuestos químicos de carbonatos, bicarbonatos y sulfatos, la dureza del agua varía según las formaciones geológicas por las que pasa el agua antes de la extracción (Kozisek, 2020). Por ejemplo, el agua subterránea que fluye de los acuíferos de piedra caliza es más dura que el agua subterránea silicificada (Wang, y otros, 2018). La dureza del agua se mide en diferentes rangos de carbonato de calcio , agua muy dulce o blanda cuando es menor a 30 mg/L, agua dulce entre 30 a 150 mg/L, agua dura de 150 a 300 mg/L y agua muy dura mayor a 300 mg/L; el agua con una dureza mayor a 200 mg/l dureza provoca la formación de incrustaciones o sarro en las instalaciones de tratamiento, el sistema de distribución, tuberías, instalaciones domésticas, termas, lavadoras, bombas hidráulicas; el agua dura  al calentarla forma precipitados de carbonato de calcio; además, el agua blanda, con una dureza menor a 100 mg/L, presenta una capacidad de amortiguación del pH baja y puede ser más corrosiva para las tuberías de agua (Bond, y otros, 2019). También un consumo de agua con altos niveles de dureza puede aumentar el riesgo de cálculos renales y de artritis, pero si el agua presenta niveles bajos de dureza su consumo a corto plazo causa malestar general, náuseas, dolor de cabeza, uñas quebradizas y trastornos cardiovasculares (Kozisek, 2020). Por lo tanto la OMS recomienda que el agua potable presente una dureza entre 100 a 300 mg/L con la finalidad de no causar daños a la salud y a las líneas y equipos de distribución de agua, para lo cual se diseñado varios métodos de tratamiento de la dureza que veremos a continuación.

Para reducir los niveles dureza del agua se han diseñado varios métodos de tratamiento por membranas, por adsorción y por intercambio iónico (Mubaraka, Gad, Keshawyc, Moghnyd, & Shehatae, 2021). Iniciaremos con el tratamiento de la dureza del agua por membranas, son filtros que permiten separar fragmentos de materia a nivel macroscópico(iones y moléculas), es decir deja pasar el agua y retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias; son usadas en el campo de microbiología y la producción de agua potable, actualmente se emplean para la eliminación de sólidos disueltos, color y dureza del agua; el proceso de membranas se puede clasificar en dos tipos diferencia de presión y diferencia de potencial eléctrico,  dentro del tipo de diferencia de presión tenemos: la nanofiltración y osmosis inversa, y para la diferencia de potencial eléctrico está la electrodiálisis ;la nanofiltración, se usan para aguas que tengan bajos solidos disueltos totales, su finalidad es suavizar y desinfectar el agua a través de la eliminación de materia orgánica natural y sintética, también se emplean para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales, para descontaminación de las aguas residuales, para la eliminación de nitratos, para la eliminación del color; existen dos tipos de membranas para nanofiltración: membranas espirales y membranas tubulares, la más usadas son las membranas tubulares (Elazhar, y otros, 2021). Por lo tanto, la nanofiltración elimina de manera eficiente bajos niveles de sólidos disueltos, color y dureza del agua, pero produce salmuera cuando se presentan altas concentraciones de magnesio, calcio y cloruro y otros iones en el agua a tratar, en consecuencia la nanofiltración no es adecuada para administrar la dureza del agua subterránea.

La osmosis inversa es un proceso de separación física que suelen funcionar en modo de flujo cruzado, además utiliza presión hidrostática positiva para forzar el flujo natural de agua a través de una membrana hacia una solución más concentrada y así superar la presión osmótica, es capaz de eliminar impurezas biológicas y químicas; se usan diferentes materiales como membranas semipermeables, tenemos, el soloidón, los celofanes, el vidrio poroso, vidrios finamente molidos y precipitados inorgánicos como ferrocianuro de cobre, fosfatos de zinc y uranilo; todos éstos materiales, tienen la desventaja de que se generan grietas por lo que presentan una selectividad de corta duración y una baja uniformidad de producción, siendo las membranas de acetato de celulosa semipermeables de mejor calidad; la osmosis inversa en comparación con otras membranas, incluidas la nanofiltración, tienen un tamaño de poro entre 0,1 y 1 nm que pueden rechazar los contaminantes más pequeños y  iones monovalentes (Zhai, Liu , & Van der Meer, 2021). La electrodiálisis es un proceso de membrana en el que los iones se transportan a través de una membrana de intercambio iónico utilizando energía eléctrica como fuerza motriz, la energía eléctrica aplicada permite que los iones pasen de una solución menos concentrada a una solución más concentrada; esto es lo contrario de lo que sucede en los procesos de ósmosis inversa o ultrafiltración, donde hay transporte de solutos a través de la membrana mientras se evita la permeación de solutos; un estudio demostró que el total la eficiencia de eliminación de dureza va 16,4 a 21,4 % (Jin, Yu, Zhang, Yan, & Chen, 2018). Las principales ventajas de la tecnología de membranas son un menor consumo de productos químicos   y ningún problema con la formación de subproductos, mientras que la principal desventaja de es el consumo intensivo de energía y pretratamientos para las sales.

La adsorción es un proceso reversible o irreversible en el que un líquido entra en contacto con un adsorbente sólido y se adhiere a su superficie, la adsorción es ampliamente utilizada en la limpieza de gases y líquidos, además el proceso de adsorción consta de varias etapas;  la adsorción se da cuando un fluido fluye alrededor de una partícula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde la mayor parte del fluido hacia toda la superficie exterior de la partícula, luego, el soluto se difunde desde el interior del poro hacia la superficie del poro y finalmente, el soluto se adsorbe en la superficie; en la industria es común encontrar columnas empaquetadas en las que circula el líquido o gas tratado (Mubaraka, Gad, Keshawyc, Moghnyd, & Shehatae, 2021). Algunos ejemplos son: separación de la humedad de una corriente de gas, que se pasa por una columna con alúmina activada para adsorber moléculas de agua; otro tipo es la potabilización de agua con carbón activado, que tiene la capacidad de adsorber moléculas orgánicas como pesticidas, hidrocarburos, etc. (Cao, y otros, 2021). Para el presente estudio, se opta por carbón activado como adsorbente, que se explica a continuación.

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