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i
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DE TÍTULO DE
INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
ESTUDIO DEL PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA POR MEDIO DE LA
REACCIÓN FENTON EN AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE
PLANTAS EXTRACTORAS DE ORO.
AUTORES:
MARÍA SOLEDAD ROMÁN LOAIZA
ROXANA KATHERINE MARTÍNEZ VERA
DIRECTOR DE PROYECTO:
ING. JOSÉ GUILLERMO CÁRDENAS, MSC.
GUAYAQUIL-ECUADOR
JULIO-2017
ii
CERTIFICADO SISTEMA ANTI PLAGIO
Habiendo sido nombrado ING. JOSÉ GUILLERMO CÁRDENAS, MSC., tutor del trabajo
de titulación, certifico que el presente proyecto ha sido elaborado por MARÍA SOLEDAD
ROMÁN LOAIZA, C.C.: 0706735578, y ROXANA KATHERINE MARTÍNEZ VERA,
C.C.: 0940959349, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la
obtención del título de INGENIERO QUÍMICO.
Se informa que el proyecto: “ESTUDIO DEL PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA
POR MEDIO DE LA REACCIÓN FENTON EN AGUAS RESIDUALES
PROVENIENTES DE PLANTAS EXTRACTORAS DE ORO”, ha sido orientado durante
todo el periodo de ejecución en el programa antiplagio (URKUND) quedando el 4% de
coincidencias.
https://secure.urkund.com/view/29221347-247609-193951
ING. JOSÉ GUILLERMO CÁRDENAS, MSC.
TUTOR
iii
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
Habiendo sido nombrado ING. JOSÉ GUILLERMO CÁRDENAS, MSC., tutor del trabajo
de titulación, certifico que el presente proyecto ha sido elaborado por MARÍA SOLEDAD
ROMÁN LOAIZA, C.C.: 0706735578, y ROXANA KATHERINE MARTÍNEZ VERA,
C.C.: 0940959349, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la
obtención del título de INGENIERO QUÍMICO.
Tema: “ESTUDIO DEL PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA POR MEDIO DE
LA REACCIÓN FENTON EN AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE
PLANTAS EXTRACTORAS DE ORO”.
Certifico que he revisado y aprobado en todas sus partes, encontrándose apto para su
sustentación.
ING. JOSÉ GUILLERMO CÁRDENAS, MSC.
TUTOR
iv
DECLARACIÓN
“La responsabilidad del contenido desarrollado en
este Trabajo de Titulación, me corresponde
exclusivamente; y la propiedad intelectual de la
misma a la Universidad de Guayaquil según lo
establecido por la Ley vigente”
Firma…………………………………………………….
MARÍA SOLEDAD ROMÁN LOAIZA
v
DECLARACIÓN
“La responsabilidad del contenido desarrollado en
este Trabajo de Titulación, me corresponde
exclusivamente; y la propiedad intelectual de la
misma a la Universidad de Guayaquil según lo
establecido por la Ley vigente”
Firma…………………………………………………….
ROXANA KATHERINE MARTÍNEZ VERA
vi
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado a los dos seres más importantes en mi vida, mi papi que es mi ángel
y mi mami que es mi heroína en la vida real. Gracias por haber hecho el mayor esfuerzo
para que yo culmine mis estudios, sin ustedes esto no hubiera sido posible. Me faltará vida
para agradecerle a mi mami todo lo que ha hecho y continúa haciendo por mí desde que mi
papi ya no está con nosotros físicamente.
No hay nada imposible, todo está en la constancia, el saber y el querer.
María Soledad Román Loaiza.
vii
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a Jehová, a mis padres, hermanos y a todas las personas que forman parte mi
vida.
A Jehová porque ha estado conmigo en cada paso que llevo en mi vida cuidándome y dándome
fortaleza para continuar.
A mis padres y hermanos, quienes han velado por mi bienestar y educación siendo mi fortaleza
en todo momento. Depositando su amor y entera confianza en cada reto que se me presentaba
en la vida. Es por ellos, que soy lo que soy ahora. Los amo.
Roxana Katherine Martínez Vera.
viii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi papi Víctor Hugo, mami Lerma; a mis hermanos Lenin, Víctor y Hugo;
Sobrinos Emily, Akyra y Adler; cuñada Viviana, por haberme apoyado en cada momento
durante mis estudios tanto moral como económicamente. Gracias por su incondicionalidad!
A cada uno de mis profesores de la carrera de Ingeniería Química, desde el curso de nivelación
hasta la culminación de este proyecto, que durante cinco años impartieron sus conocimientos.
A Bolívar Tinoco por haberme ayudado con sus conocimientos, recomendaciones y apoyo
constante durante el desarrollo de este proyecto.
A mi compañera Roxana Martínez gracias por haber compartido sus conocimientos y ánimo
para desarrollar este proyecto de tesis.
A los profesores Ing. Mireya Bermeo, Ing. Raúl Serrano e Ing. Judith Chalén gracias por
habernos ayudado a mí y a mi compañera Roxana a despejar inquietudes en el transcurso de la
elaboración de este proyecto.
A nuestro tutor de tesis, Ingeniero Guillermo Cárdenas, por habernos impartido sus
conocimientos para desarrollar y terminar este proyecto.
Un agradecimiento especial al Ingeniero Alfredo Leal por compartir sus conocimientos y
recomendaciones científicas para mejorar este proyecto de investigación.
María Soledad Román Loaiza.
ix
AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primer lugar a Jehová el Todopoderoso que me llenó de sabiduría y fuerzas para
realizar este trabajo de investigación.
A mis padres, Rosa Vera Leiva, Julio Martínez Suarez y Marco Antonio Zambrano Loor, que
me inculcaron valores y me dieron el apoyo necesario para seguir con mis estudios.
A mi hermana, Valeria Martínez Vera, quien también me apoyó en los momentos que
necesitaba de su ayuda. También a mis hermanos Carlos Julio y Julio César por formar parte
de mi vida. Agradezco a Jonathan Espinoza Bazurto por estar a mi lado con gran apoyo.
A mi amiga compañera de tesis, Soledad Román, por tenerme paciencia y muy buena capacidad
investigadora, por la motivación que puso durante la investigación.
Al Ingeniero Marlon Ramírez por brindarme su apoyo, consejos y por compartir sus
conocimientos en la vida profesional. A la Ingeniera Judith Chalén, la Ingeniera Mireya
Bermeo, al Ingeniero Alfredo Leal quienes nos apoyaron durante la realización de los análisis,
sacándonos de dudas que tuvimos en su momento. Al Ingeniero Raúl Serrano Carlín por ser un
excelente amigo consejero y por estar pendiente de la investigación.
A mi querido amigo Kevin León Ríos por estar pendiente de la investigación.
A nuestro tutor de tesis, Ingeniero Guillermo Cárdenas, por habernos dado las pautas necesarias
al inicio de la investigación y ser nuestra guía para poder terminar este proyecto.
Roxana Katherine Martínez Vera.
x
RESUMEN
En las ciudades Zaruma y Portovelo, ubicadas en la provincia de El Oro, las plantas
extractoras de oro han causado una grave contaminación en los ríos Calera y Amarillo,
debido a que se encuentran ubicadas a muy pocos metros de ellos, éstas descargan sus
aguas residuales directamente con tratamientos pobres o usualmente ninguno. El objetivo
de esta investigación es estudiar el proceso de oxidación avanzada por medio de la
reacción Fenton en aguas residuales provenientes de plantas extractoras de oro, para
reducir sus contaminantes. Con el estudio correspondiente y optimizando el tratamiento
planteado, se logró una remoción de contaminantes como el cianuro del 99,99% y la
DQO del 94,62%, también se alcanzó remociones importantes de metales pesados como
cromo hexavalente del 97,02%, hierro del 97,53%, cobre del 58,70% y de sólidos
suspendidos del 99,99%; cumpliendo con la norma de calidad ambiental y de descarga
de efluentes al recurso agua.
Palabras claves: contaminación, agua, metales pesados, Fenton, DQO.
xi
ABSTRACT
In Zaruma and Portovelo cities (El Oro, Ecuador), gold extraction plants have caused
serious contamination problems in Calera and Amarillo rivers, due to they are just a few
meters away from them, these discharged with poor treatment or usually no one. The
objective of this research is to study the oxidation process advanced by Fenton reaction in
wastewater from gold extraction plants to reduce contaminants. After studying and
optimizing the proposed treatment, the remotion of chemicals has been achieved: cyanide
99.99%, hexavalent chromium 97.02%, iron 97.53%, copper 58.70%, DQO 94.62% and
suspended solids 99.99%. With these results the Environmental Quality Standard and
Discharge of Effluents to the Water Resource of our country was obeyed.
Keywords: contamination, water, heavy metals, Fenton, DQO.
xii
CONTENIDO
CERTIFICADO SISTEMA ANTI PLAGIO ............................................................................. ii
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ............................................................................................. iii
DECLARACIÓN ...................................................................................................................... iv
DECLARACIÓN ....................................................................................................................... v
DEDICATORIA ....................................................................................................................... vi
DEDICATORIA ...................................................................................................................... vii
AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... viii
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ ix
RESUMEN ................................................................................................................................ x
ABSTRACT .............................................................................................................................. xi
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................. 2
EL PROBLEMA ........................................................................................................................ 2
1. Tema .................................................................................................................................. 2
1.1. Planteamiento del Problema ........................................................................................ 2
1.2. Formulación y Sistematización del Problema ............................................................. 3
1.2.1. Formulación del problema de investigación. ....................................................... 3
1.2.2. Sistematización del problema. ............................................................................. 3
1.3. Justificación de la Investigación ................................................................................. 4
1.3.1. Justificación teórica. ............................................................................................ 4
xiii
1.3.2. Justificación metodológica................................................................................... 4
1.4 Objetivos de la Investigación ...................................................................................... 5
1.4.1 Objetivo general ................................................................................................... 5
1.4.2. Objetivos específicos ........................................................................................... 5
1.5 Delimitación de la Investigación ................................................................................. 5
1.6 Hipótesis ...................................................................................................................... 6
1.6.1. Variable independiente. ....................................................................................... 6
1.6.2. Variable dependiente. .......................................................................................... 6
1.6.3 Operacionalización de las variables. .................................................................... 7
CAPÍTULO II ............................................................................................................................ 8
2. Marco referencial ............................................................................................................... 8
2.1. Antecedentes de la Investigación ................................................................................ 8
2.2. Marco Teórico ........................................................................................................... 10
2.2.1. El agua. .............................................................................................................. 10
2.2.2. Minería en Ecuador. ........................................................................................... 16
2.2.3. Metales Pesados. ................................................................................................ 18
2.2.4. Otros contaminantes........................................................................................... 22
2.2.5. Cianuro. .............................................................................................................. 23
2.2.6. Procesos avanzados de oxidación. ..................................................................... 27
2.2.7. El carbón activado como adsorbente emergente. ............................................... 30
2.3. Marco conceptual. ..................................................................................................... 31
xiv
2.4. Marco legal. ............................................................................................................... 32
CAPÍTULO III ......................................................................................................................... 35
3. Marco metodológico ........................................................................................................ 35
3.1. Diseño de la investigación......................................................................................... 35
3.2. Tipo de investigación. ............................................................................................... 35
3.3. Instrumentación. ........................................................................................................ 36
3.3.1. Equipos. ............................................................................................................. 36
3.3.2. Reactivos. ........................................................................................................... 37
3.4. Muestreo. ................................................................................................................... 37
3.5. Metodología experimental......................................................................................... 39
3.5.1. Procedimiento experimental. ............................................................................. 39
3.5.2. Planteamiento experimental. .............................................................................. 43
3.6. Ingeniería de procesos ............................................................................................... 43
3.6.1. Diagrama de flujo del proceso. .......................................................................... 43
CAPÍTULO IV......................................................................................................................... 45
4. Marco metodológico ........................................................................................................ 45
4.1. Análisis y discusión de resultados ............................................................................. 45
4.2. Resultados experimentales ........................................................................................ 45
4.2.1. Relación Fe2+ / H2O2. ......................................................................................... 45
4.2.2. Análisis de resultados obtenidos con distintas relaciones entre Fe2+ / H2O2. .... 48
4.2.3. Experimentación con distintas dosificaciones para mejorar la remoción del DQO,
metales pesados y cianuro. ............................................................................................... 49
xv
4.2.4. Análisis de resultados obtenidos con las distintas dosificaciones. .................... 51
4.2.5. Experimentación con carbón activado como elemento emergente para mejorar el
tratamiento. ...................................................................................................................... 52
4.2.6. Análisis de resultados obtenidos en la experimentación con carbón activado
como elemento emergente. .............................................................................................. 53
4.2.7. Experimentación final con reacción Fenton modificada más Carbón activado
como elemento emergente. .............................................................................................. 53
4.2.8. Muestra inicial vs. final con la aplicación de la Reacción Fenton más Carbón
Activado como elemento emergente. ............................................................................... 58
CONCLUSIONES ................................................................................................................... 59
RECOMENDACIONES .......................................................................................................... 61
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 62
ANEXOS ................................................................................................................................. 66
xvi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Extracción de agua para la minería, por superficie y tipo, para los Estados Unidos en
2005............................................................................................................................................ 9
Figura 2. Ciclo del Agua .......................................................................................................... 11
Figura 3. Fotografía del Punto de Muestreo. ........................................................................... 38
Figura 4. Fotografía del Depósito del Agua Contaminada posterior a la extracción del oro. . 38
Figura 5. Diagrama de Flujo del Proceso................................................................................. 44
Figura 6. Remoción de Cianuro al aplicar la reacción Fenton. ................................................ 55
Figura 7. Remoción de Hierro al aplicar la reacción Fenton. .................................................. 56
Figura 8. Remoción de la DQO al aplicar la Reacción Fenton y Carbón Activado. ............... 57
Figura 9. Análisis completo de muestra inicial. ....................................................................... 67
Figura 10. Análisis completo de muestra final. ....................................................................... 68
Figura 11. Muestra inicial del agua residual generada en el proceso de extracción de oro. .... 69
Figura 12. Muestra del agua residual en el primer tratamiento. .............................................. 69
Figura 13. Reacción Fenton. .................................................................................................... 70
Figura 14. Reacción Fenton concluida..................................................................................... 70
Figura 15. Tratamiento final luego de concluida la reacción Fenton y adición de carbón
activado. ................................................................................................................................... 71
Figura 16. Muestra de agua residual tratada. ........................................................................... 71
Figura 17. Reactor de DQO HACH/COD a 150 ºC. ................................................................ 72
Figura 18. Equipo para medir pH. ........................................................................................... 72
Figura 19. Equipo para determinar cianuro. ............................................................................ 73
Figura 20. Análisis de color. .................................................................................................... 74
xvii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Operacionalización de las variables ............................................................................. 7
Tabla 2. Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce. ........................................................ 33
Tabla 3. Planteamiento experimental ....................................................................................... 43
Tabla 4. Relación 1:1 (Fe2+/H2O2) ........................................................................................... 46
Tabla 5. Relación 1:2 (Fe2+/H2O2) ........................................................................................... 46
Tabla 6. Relación 1:3 (Fe2+/H2O2) ........................................................................................... 47
Tabla 7. Resultados obtenidos con distintas relaciones entre Fe2+ / H2O2 ............................... 47
Tabla 8. Prueba A – (4 ml Fe2+ / 4 ml H2O2) - Remoción de la DQO y Cianuro. .................. 49
Tabla 9. Prueba B – (5 ml Fe2+ / 5 ml H2O2) - Remoción de la DQO y Cianuro. ................... 50
Tabla 10. Prueba C – (7 ml Fe2+ / 7 ml H2O2) - Remoción de la DQO y Cianuro. ................. 50
Tabla 11. Resultados obtenidos con la relación 1:1 entre Fe2+ / H2O2 y variación en las
dosificaciones. .......................................................................................................................... 51
Tabla 12. Experimentación con carbón activado como elemento emergente para disminuir la
DQO ......................................................................................................................................... 52
Tabla 13. Experimentación final del tratamiento con la Reacción Fenton. ............................. 54
Tabla 14. Experimentación final del tratamiento con Carbón Activado como elemento
emergente tras Reacción Fenton .............................................................................................. 54
Tabla 15. Datos de remoción de Cianuro al aplicar la reacción Fenton .................................. 55
Tabla 165. Datos de remoción de Hierro al aplicar la reacción Fenton. .................................. 56
Tabla 176. Datos de remoción de la DQO después de aplicar la reacción Fenton y Carbón
activado .................................................................................................................................... 57
Tabla 18. Resultados de análisis de laboratorio en muestra inicial y final .............................. 58
xviii
1
INTRODUCCIÓN
Si bien hoy en día las leyes impuestas por el Ministerio del Ambiente en nuestro país son
mucho más exigentes que hace algunos años, aún no existe el control pertinente para
asegurar que nuestras fuentes de agua dulce no sean contaminadas por distintos procesos
industriales.
Los tratamientos para aguas residuales son fundamentales para cumplir con los límites
de descarga que se detallan en las leyes ambientales ya sean para descarga al sistema de
alcantarillado público, a un cuerpo de agua dulce o a un cuerpo de agua marina. Esto ha
impulsado a desarrollar nuevas técnicas y tecnologías para la purificación del agua.
En las ciudades de Zaruma y Portovelo, en las cuales se encuentran los ríos Calera y
Amarillo existe una gran contaminación de estos, debido a la ubicación de las plantas
extractoras de oro, situadas a muy pocos metros de los ríos antes mencionados. Los efluentes
de la industria minera tienen gran contaminación por cianuro, el cual es utilizado en el
proceso de extracción de oro (OCMAL, 2010). También en estos se encuentran metales
pesados como cromo hexavalente, cadmio, mercurio, entre otros. Este problema de
contaminación podría evitarse con un tratamiento químico usando sustancias no
contaminantes ni tóxicas para el medio ambiente.
El siguiente proyecto de titulación es una investigación que tiene por objetivo estudiar el
proceso de oxidación avanzada por medio de la reacción Fenton en aguas residuales
provenientes de plantas extractoras de oro.
2
CAPÍTULO 1
EL PROBLEMA
1. Tema
Estudio del proceso de oxidación avanzada por medio de la reacción Fenton en aguas
residuales provenientes de plantas extractoras de oro.
1.1. Planteamiento del Problema
En Ecuador existen numerosas fuentes de agua dulce, incluso está catalogado como
el país con la más alta concentración de ríos por Km2 en el mundo. (SLT, 2010)
Varias ciudades ubicadas en el sur del Ecuador han sido afectadas por distintos
factores como: Deforestacióm, crecimiento poblacional, contaminación por distintas
actividades; entre ellas se encuentran: industriales, mineras y agrícolas.
Dos ciudades que se encuentran dentro de la provincia de El Oro, ubicadas en el sur
del país, Portovelo y Zaruma, han sido afectadas principalmente por actividades mineras,
teniendo algunos de sus ríos afectados y contaminados con altas concentraciones de
metales pesados y cianuro.
Los subsuelos de Portovelo y Zaruma han sido explotados desde hace casi 500 años
aproximadamente, esto se debe a su riqueza en metales preciosos, entre ellos se destaca
el oro, la plata, entre otros.
3
Los ríos que más han sido afectados por este tipo de actividades han sido: Calera y
Amarillo, debido a que las plantas procesadoras para la extracción de oro, se encuentran
aproximadamente a un metro de distancia de los mismos. Estos han sido contaminados con
metales pesados y cianuro, debido a que los efluentes de estas plantas procesadoras tienen
escasos y pobres tratamientos de aguas residuales, y son expulsados directamente a estos
ríos.
1.2. Formulación y Sistematización del Problema
1.2.1. Formulación del problema de investigación.
El impacto que causan las aguas residuales provenientes del área minera (extracción de
oro y plata) que afectan a los ríos Calera y Amarillo.
1.2.2. Sistematización del problema.
¿Cuáles son los principales contaminantes presentes en efluentes de plantas extractoras
de oro?
¿Aplicando la reacción Fenton en este tipo de efluente, se cumple con la normativa
ambiental vigente?
¿La oxidación avanzada por medio de la reacción Fenton es adecuada para tratar las
aguas residuales provenientes de plantas extractoras de oro?
4
1.3. Justificación de la Investigación
1.3.1. Justificación teórica.
Este proyecto tiene la finalidad de determinar y cuantificar si la reacción Fenton es
aplicable en este tipo de tratamiento de aguas residuales provenientes del proceso de
extracción de oro.
En el trabajo de esta investigación se logrará analizar un correcto tratamiento de aguas
residuales en la industria minera.
1.3.2. Justificación metodológica.
Con análisis de laboratorio se podrá cuantificar y valorizar los metales pesados
presentes en el efluente, como: Cadmio, Cromo hexavalente, Cobre y Hierro, también
otro tipo de contaminantes como el Cianuro.
Se logrará comprobar que la reacción Fenton es aplicable y eficaz en efluentes con
estas características.
Los resultados que se obtengan servirán para recomendar a los organismos
correspondientes la implementación de este tipo de tratamiento en las normativas
ambientales.
Este método de tratamiento permitiría que bajen o decaigan a largo plazo los
indicadores actuales que contaminan los ríos Calera y Amarillo, lo cual permitiría el uso
de estas aguas para cultivos.
5
1.3.3 Justificación práctica.
El estudio de la reacción Fenton permitirá determinar y comprobar que es posible la
reducción de metales pesados y otros contaminantes como el cianuro, cumpliendo con las
normativas ambientales y permitiendo tener efluentes con menor impacto ambiental y
social.
1.4 Objetivos de la Investigación
1.4.1 Objetivo general
Estudiar el proceso de oxidación avanzada por medio de la reacción Fenton en aguas
residuales provenientes de plantas extractoras de oro en condiciones de pH básico.
1.4.2. Objetivos específicos
Establecer las variables para el tratamiento de aguas residuales a partir de la
reacción de Fenton modificada.
Comprobar que la reacción Fenton modificada es factible para tratar aguas
residuales con metales pesados y otros contaminantes como el Cianuro.
Caracterizar los contaminantes y concentraciones que se encuentran antes y
después de utilizar la reacción de Fenton modificada.
1.5 Delimitación de la Investigación
La reacción Fenton es un proceso de oxidación avanzada en el cual es utilizado el
peróxido de hidrógeno y Fe2+ como catalizador en un medio ácido. Debido a la naturaleza
de la muestra, en la cual se determinó alta presencia de cianuro, se trabajó con pH básico
con el fin de evitar la formación de ácido cianhídrico (altamente tóxico).
6
El área física considerada para la toma de muestras fue en una planta extractora de
oro en la vía al Pache, cantón Zaruma, con las siguientes coordenadas de El Oro -
3.713034, -79.632396 (3°42’46.9”S 79°37’56,6”W).
La exploración e investigación se hace con el fin de encontrar una solución a la
contaminación del río Calera en la ciudad de Zaruma y río Amarillo en la ciudad de
Portovelo, ya que la mayor parte de las plantas extractoras de oro se encuentran junto a
las ciudades anteriormente mencionadas. Los efluentes de estas plantas se encuentran
relativamente cerca a los mismos, estos son descargados directamente a los ríos, con
tratamientos pobres o usualmente ninguno. Esto conlleva a la contaminación del
ecosistema, problemas sociales y agrícolas.
1.6 Hipótesis
Proceso de oxidación avanzada por medio de la reacción química Fenton para
disminuir la concentración de metales pesados y cianuro.
1.6.1. Variable independiente.
La reacción Fenton permitirá la oxidación de los metales pesados y cianuro, presentes
en los desechos de la minería industriales y artesanales.
1.6.2. Variable dependiente.
Tiempo.
Fe2+.
(Fe2+) / (H2O2).
7
1.6.3 Operacionalización de las variables.
Tabla 1. Operacionalización de las variables
Tipo de
variable
Variable Operacionalización Indicadores Unidad de medida
Independiente
Reacción
Fenton
Oxidación de
metales pesados
y cianuro.
Cadmio
Cianuro
Cobre
Cromo hexavalente
Hierro
DQO
mg/Lt
Dependiente
Fe2+
Concentración
de Fe2+.
Partes por millón. ppm
(Fe2+) / (H2O2)
Relación
(Fe2+) / (H2O2).
1:1
1:2
1:3
mg/partícula
nanométrico
Tiempo
Tiempo de
contacto.
Minutos Min.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
8
CAPÍTULO II
2. Marco referencial
2.1. Antecedentes de la Investigación
Zaruma es una ciudad muy antigua, fundada oficialmente el 8 diciembre de 1595, por
mandato del Rey de España Felipe II, el capitán Damián Meneses oficializó la fundación
con el nombre “Villa de San Antonio del Cerro de Oro de Zaruma”.
La minería inició en este pueblo entre el año 1536 y 1539, los españoles fueron
atraídos por el oro y empezaron a realizar sus primeros asentamientos poblacionales.
Desde esta época y hasta a la actualidad ha permanecido la actividad minera en esta
pequeña ciudad, a pesar de todos los obstáculos.
Si bien hoy en Zaruma sigue existiendo esta actividad, en este año 2017 se ha podido
visualizar los graves daños subterráneos que han causado las explotaciones mineras, el
primero y más grande fue el hundimiento de la escuela Inmaculada en pleno centro
urbano, el cual a pesar de las intervenciones gubernamentales, no ha sido posible
remediarlo. Luego del primer hundimiento han ocurrido dos más. Hasta hoy se continúan
realizando estudios del subsuelo pero sin soluciones claras para la población que habita
en esta ciudad.
Este no es el único problema que afronta la ciudad, desde hace años se sospecha que
la recurrencia del cáncer en esta población es debido a la contaminación del aire, suelo y
agua por actividades mineras.
9
En otros países como en los Estados Unidos, la minería ha jugado también un rol importante
en el desarrollo de esta nación. Incluso antes de que los colonos europeos pusieran pie en el
continente norteamericano para extraer carbón, los nativos americanos ya lo utilizaban. Hoy
en día Estados Unidos producen una gran cantidad de productos utilizando oro y otros
derivados extraídos de la minería como carbón, plata, cobre, etc. Pero todos estos materiales
no fuera posible extraerlos sin el uso del agua, por lo que es necesario realizar procedimientos
que permitan mitigar el impacto de las aguas residuales, y un estricto control para monitorear
su calidad.
Figura 1. Extracción de agua para la minería, por superficie y tipo, para los Estados Unidos en 2005.
(Los datos están en millones de galones por día)
Fuente: (USGS, 2016)
En nuestro país existen investigaciones académicas respecto del manejo de efluentes mineros.
En septiembre del 2014 fue presentado en la Facultad de Ingeniería de Procesos de la
Universidad Técnica Particular de Loja, en el Departamento de Química, el trabajo de
investigación “Tratamiento químico y biológico de efluentes mineros cianurados a escala
laboratorio por Pablo Xavier Jumbo Pacheco, Diego Alejandro Nieto Monteros; por la “V
Convocatoria Anual de Proyectos 2014”.
En esta investigación se utilizó el Peróxido de Hidrógeno como compuesto oxidante, con el
cual alcanzaron remociones del 91% y 92,7%, para efluentes con un contenido inicial de
Cianuro de 10 y 280 mg/L respectivamente. (Jumbo Pacheco & Nieto Monteros, 2014)
10
En el mercado internacional también existen soluciones que se ofrecen en el manejo de
efluentes mineros. USP Technologies es una empresa ubicada en Atlanta que ofrece a la
industria soluciones para un ambiente limpio, entre los tratamientos para aguas residuales que
constan en su página web, se encuentra:
“Cyanide Treatment with H2O2” y detalla el uso de Peróxido para eliminar todas las
formas de cianuros y metales pesados. Menciona el uso de Tiosulfato de Sodio en una
primera etapa, luego Cloruro de Amonio y finalmente Sulfato Férrico para la
recuperación de otros metales pesados. (USP Technologies, 2017)
2.2. Marco Teórico
2.2.1. El agua.
2.2.1.1. Generalidades.
Dos tercios de la superficie de la tierra están cubiertos por agua. Todos los organismos
vivos de la tierra están constituidos principalmente por agua. Alrededor del 60 % de un
árbol está constituido por ella y el cuerpo humano está constituido por agua en su 75%.
Resulta evidente e importante recalcar que el agua es uno de los elementos más
importantes para la vida en nuestro planeta tierra.
El agua es una pieza sistémica y fundamental del proceso biogeoquímico de la Tierra
que crea y nutre nuestro medio ambiente. Como ejemplo: El agua transita por la
atmósfera, modificando el clima día a día. En efecto, el agua es un recurso esencial para
la mayor parte de actividades humanas, para sostener nuestra sociedad presente; la
industria, agricultura, transporte, son algunas de las numerosas actividades que requieren
este recurso vital e irremplazable. (AGG Center of Global Geography Education, 2011)
11
Utilizamos el agua en un sin número de actividades como:
Bebida
Lavado
Natación
Pesca
Comida
Transporte (medios fluviales y marítimos)
Para proteger la vida humana, de las plantas y animales acuáticos; los estados
establecen estándares de calidad del agua.
2.2.1.2. Ciclos del agua.
El agua siempre está en movimiento, el ciclo natural del agua, también conocido como
ciclo hidrológico, describe el movimiento continuo por encima y debajo de la superficie de
la Tierra.
El agua siempre está cambiando de estados, entre líquido, vapor y sólido.
Figura 2. Ciclo del Agua
Fuente: (USGS, 15)
12
2.2.1.3. Contaminantes del agua.
Muchas de las actividades que se desarrollan por parte del ser humano o ya sea cuando
el agua entra en contacto con el aire, el suelo y demás, dan como resultado un flujo de
agua contaminada trayendo consigo enfermedades y perjuicios a las especies vivas.
Con el tiempo esto fue incrementándose de forma drástica sobre todo a partir de la
revolución industrial, dando origen a la formación de aglomeraciones urbanas. Esto fue
suficiente para tratarla y evitar impactos nocivos para el medio ambiente, en donde
muchas de las administraciones públicas y empresas privadas han construido
instalaciones en las que se da un tratamiento adecuado al agua residual para la reducción
de contaminantes.
Las aguas residuales recogidas en comunidades o municipios deben ser conducidas a
cuerpos de agua receptoras o al mismo terreno. Por lo que se hace necesario conocer los
contaminantes presentes en ellas, con el fin de aplicar un tratamiento adecuado que evite
la degradación y contaminación de los causes. (Envitech, 2015)
Los contaminantes del agua en función a la calidad o a sus características se clasifican
en:
Físicos.
Químicos.
Biológicos.
Cuando se requiere tratar un importante caudal de aguas residuales, la principal
alternativa es la de considerar un proceso biológico, puesto que es uno de los tratamientos
completos más económicos y la cantidad de residuos que se generan es relativamente
baja.
13
Los contaminantes inorgánicos dan como resultado la disminución del oxígeno, producto
de la degradación biológica de los compuestos, y tienen como resultado un posible efecto
tóxico, produciendo ácidos grasos, aminoácidos e hidrocarburos; así mismo metales tóxicos
y microorganismos como bacterias y protozoos. Por ello se hace necesario conocer los
contaminantes presentes en estas aguas con el fin de aplicar un tratamiento adecuado que
evite la degradación y contaminación de los causes.
Para conocer el tipo de contaminación es importante llevar a cabo una caracterización
del agua residual, la cual proporciona una amplia variedad de información sobre la
concentración de los contaminantes. Los parámetros que deberán ser analizados a parte de
los generales como el pH y su conductividad, serán los que den idea del contenido de materia
orgánica, nutrientes, sólidos en suspensión en relación a los microrganismos, además de los
más específicos relacionados con el tipo de actividad que genera el efluente; metales,
tensoactivos, sulfatos, cianuros, etc.
Los contaminantes presentes en el agua residual varían en función de la actividad en la
que se las ha utilizado. Se puede distinguir en función de su origen o simplemente por su
composición, ya sea en agua residual urbana o agua residual industrial. Entre los
contaminantes del agua creada por las actividades humanas se presentan los microbios
patógenos, nutrientes, sustancias responsables de consumir el oxígeno del agua, metales
pesados, materia orgánica, sedimentos en suspensión y pesticidas, los cuales provienen de
fuentes no localizadas. Así mismo el calor produce que la temperatura de las aguas
receptoras de vertidos se eleve y provoque contaminación. Esto conlleva a que todo los
contaminantes son causa de la pérdida de la calidad de agua en todo el mundo.
14
Las empresas industriales son las que ocasionan presión sobre los recursos hídricos a
través de los impactos que producen las descargas de aguas residuales y sus potenciales
contaminantes, debido a la gran cantidad de agua utilizada en la producción. Estas son
los principales contribuyentes a la contaminación orgánica, mientras que las industrias
de petróleo, minería y el acero representan el mayor riesgo en la liberación de metales
pesados.
Gran parte de las aguas residuales industriales se vierten sin tratamiento en los cursos
de agua abiertos, por lo que reducen la calidad de gran cantidad de agua, se infiltran en
los acuíferos y contaminan los recursos hídricos subterráneos. (Teresa Romero, 2014)
2.2.1.4. Contaminación del Agua por Actividades Mineras.
Si bien la minería proporciona materias primas esenciales para la sociedad
industrializada, hay que enfatizar que también contribuye gravemente a la contaminación
de aguas tanto superficiales como subterráneas.
Algunos contaminantes se producen naturalmente, pero las fuentes antropogénicas,
especialmente las actividades mineras, han contribuido muy significativamente en su
aumento.
Pese a que la minería contribuye a enormes beneficios sociales y económicos a las
naciones, los efectos adversos a largo plazo sobre el medio ambiente y por tanto la salud
pública, no pueden pasarse por alto. (Akabzaa, 2000)
El procesamiento de minerales tiene como objetivo separar y concentrar físicamente
los minerales, utilizando técnicas físicas, químicas y a veces microbiológicas.
15
La extracción metalúrgica rompe los enlaces cristalográficos en el mineral con el fin de
recuperar el elemento o compuesto deseado. Los metales son cristalinos y están compuestos
por cristales o granos bien definidos. Durante esta actividad se producen grandes cantidades
de residuos. (Adler & Rascher, 2007)
Los relaves son los desechos mayormente producidos a partir de la extracción del oro y
estos contienen altas cantidades de metales pesados. Las altas concentraciones de metales
pesados en el medio ambiente generan un grave problema de salud en todo el mundo, esto
se debe a su naturaleza no degradativa, lo cual los hace persistentes y por lo tanto despliegan
graves efectos a largo plazo sobre el ecosistema. (Singh, Gautam, Mishra, & Gupta, 2013)
Los metales pesados como plomo y cadmio afectan a la población natural de bacterias
en el suelo. Esto provoca la pérdida de las especies bacterianas responsables de la ciclación
de nutrientes, como resultado provoca un efecto negativo en el ecosistema. (Piotrowska-
Seget, Cycoń, & Kozdroj, 2005)
Earthworks estima que, para producir suficiente oro crudo para hacer un solo anillo, 20
toneladas de roca y suelo son desalojados y desechados. Gran parte de este desecho lleva
consigo mercurio y cianuro, que se utilizan para extraer el oro de la roca. La erosión
resultante obstruye arroyos y ríos, lo que conlleva a contaminar ecosistemas marinos aguas
abajo del sitio de la mina. Exponer la tierra profunda al aire y al agua también provoca
reacciones químicas que producen ácido sulfúrico, que puede filtrarse en los sistemas de
drenaje. La calidad del aire también está comprometida por la minería de oro, que libera
cientos de toneladas de mercurio elemental en el aire cada año. (Bland, 2014)
Las minas de oro de superficie a gran escala pueden utilizar entre 60.000 y 100.000
metros cúbicos (16 millones y 26 millones de galones) de agua cada día.
16
En Perú los ríos que antes eran utilizados por las comunidades indígenas de Guyana
para agua potable ya no son aptos para el consumo desde que comenzó la minería de oro
en la región. Asimismo, el mercurio, utilizado por los prospectores individuales para
procesar el oro, se está extendiendo al medio ambiente colombiano y exponiendo a los
mineros a riesgos para la salud.
"La minería de oro es una de las actividades industriales más destructivas - las grandes
minas de oro a cielo abierto generan grandes cantidades de residuos, la mayor parte de
los cuales están contaminados con cianuro y otros químicos utilizados para separar el oro
del mineral”. (Kozacek, 2012)
Hoy en día hemos implementado un método para controlar la concentración de
metales pesados y evitar la formación del ácido cianhídrico. (Román María y Martínez
Roxana)
2.2.2. Minería en Ecuador.
La minería es el principal rubro que genera divisas en Ecuador, sin embargo no hay
que olvidar que en los procesos de extracción de metales preciosos se utiliza una gran
cantidad de productos químicos, lo cual afecta al ecosistema y la salud de los humanos.
(López Bravo, Santos Luna, Quezada Abad, Segura Osorio, & Pérez Rodríguez, 2016)
La preocupación por el desarrollo de las actividades mineras a nivel mundial han ido
en aumento, Ecuador está muy incluido en esto. Los efectos que se visualizan en zonas
típicas de minería como Zaruma, Portovelo, Nambija y también en zonas de minería
recientes como en Esmeraldas y Morona Santiago.
17
Se conoce que en Ecuador existen numerosas fuentes de agua dulce, incluso está
catalogado como el país con la más alta concentración de ríos por Km2 en el mundo. En la
zona de Portovelo y Zaruma se puede evidenciar que los sedimentos generados, han
contaminado sus ríos por una variedad de productos químicos como soda cáustica, cianuro,
mercurio, etc.; en el proceso de extracción de oro, muchas de las veces son arrastrados
cientos de kilómetros río abajo y terminan siendo depositados en zonas de manglares, en el
océano pacífico o en la cuenca amazónica.
Los sedimentos formados por la actividad minera más los que se originan de las zonas
agrícolas y ganaderas incitan que los ríos de la Costa ecuatoriana tengan en su mayoría una
abundancia de sólidos suspendidos como muestran los resultados de la SENAGUA para la
Cuenca del río Guayas.
La información sobre los efectos de la contaminación minera en el Ecuador son diversos
y en muchos casos basados en datos sin fuentes de verificación. En el Ecuador, la actividad
minera se ha desarrollado desde hace siglos, sin embargo, no existe una evaluación a nivel
nacional de los efectos de esta actividad sobre la biodiversidad.
Los efectos de bioacumulación de metales pesados sobre los organismos acuáticos y las
cadenas alimenticias son una de las mayores preocupaciones en la actualidad. El mercurio
utilizado en el procesamiento de los metales es sin duda uno de los temas más analizados.
La Escuela Politécnica Nacional ha estudiado la acumulación de mercurio en las aves en las
cercanías de las zonas mineras de Puyango y Zaruma. Las concentraciones de mercurio
encontradas en los músculos, hígado y plumas exceden en algunos casos los límites
máximos permisibles. (Escuela Politécnica Nacional, 2013)
18
La minería moderna utiliza y contamina enormes cantidades de agua. Para producir
una tonelada de cobre puro se requiere decenas de miles litros de este vital recurso
diariamente. Por ejemplo, el proyecto minero cuprífero El Mirador, en Zamora
Chinchipe, prevé utilizar cerca de 12 millones de litros por día solo para explotar y
concentrar el equivalente a 200 toneladas cobre (promedio de 60.000 litros/Tn) al día.
Cifras como esta no incluye los millones de galones de agua que tienen que ser
evacuados o desviados diariamente para que no inunden el tajo y poder acceder a la
mina.
Mientras más profunda la mina y más pluviosidad, mayores probabilidades de
encontrarse con la presencia de aguas freáticas. Por otro lado, para evitar que los
gigantescos tajos se llenen de agua, algunas minas secan todos los ríos y vertientes
alrededor de las minas; afectando a las capas freáticas y el flujo de este líquido vital aguas
abajo de las operaciones. (Zorilla, 2013)
2.2.3. Metales Pesados.
Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que tienen un alto peso
atómico y presentan una densidad cinco veces mayor a la del agua. Debido a sus extensas
aplicaciones, entre ellas: Industriales, domésticas, médicas, agrícolas y tecnológicas,
actualmente se encuentran ampliamente distribuidos en el medio ambiente; esto conlleva
a una serie de preocupaciones sobre sus efectos en la salud humana y el ecosistema.
Entre los metales pesados residuales más destacados se encuentran: Plomo, Arsénico,
Cadmio, Cromo y Mercurio; estos metales se consideran altamente tóxicos, provocan
daños severos en los órganos, incluso a niveles bajos de exposición.
La toxicidad de los metales pesados depende de varios factores: Dosis, tiempo de
exposición, edad, género, estado de salud y nutricional de los individuos expuestos.
19
El incremento de concentración de muchos de estos metales en el agua se debe
principalmente a la contaminación puntual de origen industrial o minero. Hay que tener en
cuenta que en algunos casos existen aguas que pasan o sufren un proceso de enriquecimiento
natural en metales pesados al pasar por los acuíferos formados por rocas que los contienen
en su composición. (Avila, 2014)
El Plomo y Mercurio procedentes de muchas de las actividades industriales, así como la
minería comercial y artesanal ponen en peligro la salud humana y de los ecosistemas de
algunas áreas. (Lecca, 2014)
2.3.3.1 Cadmio.
El cadmio es un metal distribuido en la corteza terrestre, plateado con un tinte azulado
en su superficie.
El único compuesto que tiene cantidades relevantes de cadmio es el sulfuro de cadmio
(greenockite), también está presente en pequeñas cantidades en la esfalerita. Casi todo el
cadmio producido comercialmente es obtenido como subproducto del refinamiento del zinc.
El cadmio es carcinógeno, tóxico y teratogénico (altera el desarrollo del feto). En
promedio se toma 0,05 mg de cadmio por día, pero se acumula en el cuerpo, es decir no es
expulsado; en promedio almacenamos unos 50 mg.
Antes de que se conocieran los peligros que conlleva la exposición con cadmio, los
soldadores y otros trabajadores corrían el riesgo de enfermarse. (Emsley, 2014)
El principal uso del cadmio es en baterías (especialmente en las baterías recargables de
cadmio y níquel NiCd).
20
Como consecuencia de su bajo coeficiente de fricción y su alta resistencia a la fatiga,
el cadmio se utiliza en aleaciones para la fabricación de rodamientos. También se utiliza
en aleaciones con bajo punto de fusión y es componente de una variedad de tipos de
soldadura; este metal es usado también en la galvanoplastia.
Los compuestos que contienen cadmio se usan en la televisión fluorescente a blanco
y negro, y en la televisión fluorescente a colores. El sulfuro de cadmio se utiliza como
pigmento amarillo y el seleniuro de cadmio es usado como pigmento rojo.
El cadmio y el telurio pueden ser compuestos modos fotovoltaicos de película
delgada, sus características físicas son ideales para la producción de células solares; su
costo es relativamente bajo.
La presencia de cadmio en el agua se produce naturalmente como la del zinc, el plomo,
el cobre y otros minerales que pueden estar en contacto con fuentes de aguas subterráneas
y superficiales, especialmente cuando se encuentran en contacto con aguas suaves y
ácidas. Las principales emisiones industriales de cadmio se deben a las corrientes de
desechos, a la lixiviación de vertederos, y a una variedad de operaciones que incluyen
cadmio o el zinc. En particular, el cadmio puede ser liberado al agua potable por la
corrosión de algunas tuberías galvanizadas y otros materiales de tuberías de agua.
El cadmio puede causar daños severos tanto a largo como a corto plazo, entre ellos se
encuentran: Insuficiencia renal, convulsiones, daños en el hígado, huesos, etc. (EPA
National Primary Drinking Water Regulations)
21
2.3.3.2 Cromo hexavalente.
Es un metal duro, plateado con un tinte azul, que se encuentran en rocas, animales,
plantas, suelo, gases orgánicos. Es un elemento esencial que desempeña un papel importante
en el metabolismo de lípidos y carbohidratos. En el humano la deficiencia de cromo está
relacionada con la resistencia a la insulina, diabetes, el cromo beneficia el desarrollo
muscular.
En concentraciones usadas clínicamente se ha encontrado que el cromo es seguro sin una
toxicidad apreciable. Las altas dosis de cromo, especialmente el cromo hexavalente (6+)
pueden ser altamente tóxicas.
El cromo es usado para la fabricación de acero inoxidable, cumple la función de su
endurecimiento y también se lo utiliza en otro tipo de aleaciones.
El cromo se puede utilizar para pulir el acero y dar un aspecto de espejo, también forma
parte de autos, camiones.
Alrededor del 90% del cuero es bronceado usando cromo. El efluente residual del cromo
es muy tóxico y por ello se han venido estudiando varias alternativas.
Los compuestos de cromo se utilizan como catalizadores industriales y pigmentos
(colores verde claro, rojo, naranja y amarillo). (Emsley, 2014)
En particular el cromo hexavalente es altamente tóxico, es un químico altamente tóxico
que ha sido y está siendo consumido por millones de personas, debido a su presencia en el
agua, ya que el agua de grifo está siendo contaminada por este metal.
Este elemento a largo plazo podría causar severos daños en el hígado, sistema
circulatorio, tejido nervioso. (Scutti, 2016)
22
2.2.4. Otros contaminantes.
2.2.4.1. Cobre.
El cobre es uno de los elementos con abundancia en la corteza terrestre, se encuentra
principalmente en forma de sulfatos, sulfuros de Fe, Cu y carbonatos.
El cobre en exceso se acumula en los tejidos, principalmente en los riñones, hígado
y cerebro. En algunas investigaciones se ha comprobado que el exceso de cobre se
acumula primero en el hígado y luego en el sistema nervioso central que produce
deterioro mental y cirrosis hepática.
El cobre en ausencia de materia orgánica precipita como carbonato o forma complejos
con otros iones. Por otra parte, también tiene mucha facilidad en absorberse sobre las
partículas sólidas en suspensión e incorporarse rápidamente al sedimento. Las emisiones
de este metal a la atmósfera están en un 83%, se depositan en las zonas continentales y
el resto de océanos. Desde el aire el cobre puede alcanzar los ambientes acuáticos tanto
en forma de húmeda en las lluvias, como seca, en el polvo. (Rubio Armendariz, 2009)
El cobre se utiliza en grandes aplicaciones industriales tales como: cables, hilos
conductores, bobinas de motores, interruptores, calderas, alambiques, baterías de cocina,
soldaduras, fabricación de tejados, etc.
2.2.4.2. Hierro.
El hierro es un metal natural que existe con abundancia en los suelos, constituye
alrededor del 5% de la corteza terrestre, alrededor de 41.000 ppm. Este metal se
encuentra en numerosos minerales, entre los se encuentran: La hematita (Fe3O2), la
siderita (FeCO3), y la magnetita (Fe3O4), siendo este el cuarto elemento más abundante.
La obtención de este elemento se realiza desde hace años mediante la reducción de
sus óxidos en altos hornos.
23
El hierro puede llegar al agua, atmósfera y tierra mediante procesos naturales y como
consecuencia de procesos humanos ya que es este el que más cantidad de hierro desprende
al medio. Las mayores fuentes de contaminación por hierro son la industria siderúrgica.
El hierro libre no es un compuesto demasiado peligroso, ni para la salud ni para el medio
ambiente. (Ruiz E. D., 2012)
2.2.5. Cianuro.
El cianuro se refiere a CN-, se encuentra formado por un carbono unido a un nitrógeno a
través de un enlace triple; es usado en un sin número de síntesis químicas y procesos
metalúrgicos (sales simples o complejos de cianuro).
Posee un intenso y característico olor fuerte a castañas. Sin embargo, en ocasiones se
presenta inodoro; este hecho puede ser peligroso, pues suele iniciar a ser tóxico en las
concentraciones en las que no es perceptible su olor, debido a que actúa inhibiendo el
complejo de citocromo C oxidasa, lo que hace que se bloquee la cadena transportadora de
electrones, es decir, la respiración de las células.
El cianuro es altamente tóxico si se ingiere y/o inhala en cantidades suficientes, es por
ello la importancia del ser eliminado de las aguas residuales antes del vertido. (USP
Technologies, 2017)
Las principales formas de Cianuro que ha realizado el hombre son: cianuro de hidrógeno,
cianuro potásico y cianuro sódico sólido.
Debido a sus propiedades exclusivas, el cianuro es utilizado en la fabricación de piezas
metálicas y numerosos productos comunes, como: Plásticos, tejidos sintéticos, fertilizantes,
herbicidas, tintes y otros productos farmacéuticos.
Existe una preocupación pública justificable por el uso del cianuro en el sector industrial.
24
La minería es una actividad industrial que utiliza una cantidad muy significativa de
cianuro para la extracción de metales preciosos, entre ellos oro y plata. También se utiliza
en menores concentraciones como reactivo para la flotación y ayudar en la recuperación
de metales básicos como plomo, cobre y zinc.
El cianuro es uno de los principales componentes en la industria química, esto se debe
a su concentración carbono – nitrógeno (ambos elementos comunes) y por su facilidad
de reacción con otras sustancias.
Más de un millón de toneladas de cianuro, las cuales representan alrededor del 80%
de su producción, son utilizadas anualmente en la producción de productos químicos
como el nylon, nitrilo y plásticos acrílicos. Otras aplicaciones industriales son:
galvanoplastia, procesamiento de metales, procesamiento de acero, aplicaciones
fotográficas y producción de caucho sintético.
El 20% restante de la producción del cianuro se utiliza para fabricar cianuro sódico,
una forma sólida del cianuro que es relativamente fácil y segura de manejar.
De esto, el 90% (es decir el 18% de la producción total) es usado en la minería
alrededor del mundo, sobre todo para la recuperación del oro. (Logsdon, Hagelstein, &
Mudder, 1999)
El proceso de usar el cianuro para extraer el oro fue descubierto en Escocia en el año
de 1887, y fue utilizado por primera vez en el sector minero a gran escala comercial en
Nueva Zelanda, por la Corona Mines Company en 1889, debido a su mayor factibilidad
de separación de oro del mineral. (Ecured, 2017)
25
2.2.5.1. El cianuro en el medio ambiente.
El cianuro esta espontáneamente en la naturaleza, es producido en pequeñas cantidades
por muchas plantas, verduras y animales, que lo utilizan como mecanismo de protección en
su etapa de crecimiento al transformarlos en una fuente alimenticia poco agraciada en ese
periodo.
El cianuro de hidrógeno se formó naturalmente en las primeras etapa de la vida sobre la
tierra. Su poder a bajas concentraciones es fulminante y mortal.
En el aire, el cianuro se encuentra principalmente como ácido cianhídrico gaseoso,
presente en pequeñas partículas de polvo, existiendo 2.000 fuentes de cianuro en la
naturaleza, como lo son: frutas, legumbres. Así mismo está presente en bacterias, hongos,
algas e incluso en algunos insectos ya que completan una función de ahuyentar a sus
posibles depredadores.
El cianuro entra al agua, la tierra o al aire como resultado de tanto procesos naturales
como industriales, es decir; por las descargas de algunos procesos de minado, industrias de
sustancias orgánicas, manufactura de acero o hierro y facilidades públicas para el
tratamiento de aguas residuales. Otras fuentes de cianuro son los tubos de escape de los
vehículos, liberaciones desde algunas industrias químicas y la incineración de basura
municipal. (Blesa, 2014)
2.2.5.2. Toxicidad del Cianuro.
El Cianuro es altamente tóxico en grandes dosis y está estrictamente regulado en la
mayoría de países a nivel mundial, con el fin de proteger la vida de los seres humanos,
animales y el medio acuático. El Cianuro evita que el cuerpo absorba oxígeno, lo que da
como resultado asfixia, esto puede ser fatal en los seres humanos, animales acuáticos y
terrestres, si estos no acuden a un tratamiento de primeros auxilios. (Health Canada, 2008)
26
Las dosis orales letales en los seres humanos de compuestos de Cianuro como Cianuro
de Potasio y Cianuro de Sodio, están alrededor de 200 mg. (Ansell & Lewis, 1970)
En otra instancia, algunos trastornos neurológicos y anomalías tiroideas se han
relacionado con el consumo a largo plazo de yuca, ya que este tubérculo tiene cianógenos
naturales. (W.J. & J., 1972)
El método más usual para tratar cianuro libre o simple es la cloración alcalina. Sin
embargo, al aplicar este tipo de tratamientos, la cloración del cianuro da como resultado
compuestos intermedios altamente tóxicos, como el Cloruro de Cianógeno.
Esta sustancia ha sido citada por la ACGIH (Conferencia Norteamérica de Higienistas
Industriales Gubernamentales, USA), el NIOSH (Instituto Nacional para la Salud y
Seguridad en el Trabajo, USA), y la EPA (Agencia de Protección del Medio Ambiente,
USA.
Se encuentra en la Lista de Sustancias Extremadamente Peligrosas para la Salud.
Tiene un efecto sistémico, afectando especialmente a los órganos más sensibles: sistema
nervioso central (cerebro), sistema cardiovascular (corazón y vasos sanguíneos) y el
sistema pulmonar (pulmones).
El Cloruro de Cianógeno tiene fuertes efectos asfixiantes e irritantes. Sus vapores son
altamente irritantes y corrosivos. Esta sustancia es un agente usado en guerras como arma
química.
Se utiliza comercialmente en síntesis químicas y en la fumigación. (Dueñas Laitaa, Nogué
Xarau, & Prados Roa, 2001)
27
2.2.6. Procesos avanzados de oxidación.
2.2.6.1. Reacción Fenton.
El proceso de oxidación Fenton es conocido desde el siglo pasado y se basa en la
descomposición del Peróxido de Hidrógeno (H2O2) en presencia de un catalizador como el
Hierro (II). Posteriormente reacciona para formar radicales hidroxilo. Este proceso ha sido
muy empleado últimamente debido a su amplia aplicación en distintas naturalezas de aguas
residuales.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + •OH
La reacción Fenton puede producirse en sistemas homogéneos con hierro ferroso disuelto
o en sistemas heterogéneos en presencia de hierro complejo tal como goetita (FeOOH). El
subproducto, el hierro férrico, a su vez reacciona con peróxido o superóxido radical (O2-)
para reproducir el hierro ferroso como se muestra a continuación:
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + •O2- + 2H+
•O2 - + Fe3+ → Fe2+ + O2
Las tres reacciones anteriores hacen pasar el hierro entre los estados de oxidación ferrosa
y férrica hasta que el H2O2 se consuma completamente, produciendo OH en el proceso. Al
igual que en otros AOP (Proceso de Oxidación Avanzada), la destrucción de compuestos
orgánicos se debe principalmente a las reacciones de oxidación iniciadas por el radical
hidroxilo. (Kommineni, y otros)
28
2.2.6.2. Concentración de Peróxido de Hidrógeno y Fe2+.
Para determinar la cantidad de H2O2 y Fe2+ necesarias se realizaron balances
estequeométricos, basados en las siguientes reacciones:
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + •OH
CN- + H2O2 → CNO- + H2O
Con lo que se logró determinar que por cada mol de hierro III, Fe3+ (55,85 g), se
requiere un mol de peróxido de hidrógeno, H2O2 (34 g).
Por cada mol de cianuro, CN- (26 g), se requiere un mol de peróxido de hidrógeno,
H2O2 (34 g).
Tratamiento con peróxido de hidrógeno (H2O2).
El peróxido de hidrógeno en un fuerte oxidante no contaminante, utilizado en
industrias metalúrgicas de todo el mundo, sobre todo para tratar efluentes residuales
cianurados.
La reacción de oxidación se trabaja con el pH natural del efluente, normalmente de
10 y no se necesita control de dicho parámetro ya que el H2O2 presenta un leve carácter
ácido. (PÉREZ, 2007)
Las reacciones que tienen lugar en este proceso son las siguientes:
CN- + H2O2 CON- + H2O
M(CN)42- + 4H2O2+ 2OH- M(OH)2(S) + 4 CON- + 4 H2O
Los complejos cianurados de metales como el Zn y el Cu son oxidados, permitiendo
la precipitación espontánea de los hidróxidos en un rango de pH 9.
2Cu(CN)32- + 7 H2O2 + 2 OH- 6 CNO- + 2 Cu(OH)2 + 6 H2O
29
En el caso de los ferrocianuros no son oxidados, pero son precipitados como sales de
metal insoluble (óxidos de Fe, Cu, Zn) juntos con los precipitados del hidróxido:
2M2+ + Fe (CN)64- M2Fe (CN)6(S)
Un exceso de peróxido durante el proceso puede ayudar a la formación de iones
carbonatos y nitritos:
CNO- +3 H 2O2 NO-2 + CO2-
3 + 2H2O+ 2H+
NO2- + H 2O2 NO-
3 + H2O
El cianato es formado durante el proceso de hidrolización espontáneamente, formando
el ión cianato e ión carbonato. Se considera que entre 10 y 15 % de los iones cianato
generados, reacionan de esta manera:
CNO- + 2 H2O2 NH4+ + CO3
2-
Cualquier nivel residual de oxidación se descompone espontáneamente generando
oxígeno:
H2O2 H2O + 1/2 O2
2.2.6.3. Factores que afectan al proceso Fenton.
Producción de lodos: es uno de los principales inconvenientes, se forma un precipitado
coloidal de color rojizo que se lo debe separar de la mezcla líquida, y este sedimento debe
ser gestionado como residuo sólido.
Control de pH: de acuerdo a lo estudiado, en cualquier sistema que se trabaje con
peróxido y haya presencia de cianuro, se debe trabajar con pH de 9 – 10, con el fin de evitar
la liberación del gas cianuro (HCN).
Consumo de reactivo: el consumo de peróxido de hidrogeno puede ser muy costoso en
el caso de grandes caudales de aguas residuales, pero esto se puede optimizar con ayuda de
un catalizador de Hierro para acelerar la reacción.
30
2.2.6.4. Ventajas del proceso Fenton.
Las principales ventajas que se presentan en el proceso Fenton son:
- El Fe (II) es muy abundante en la Tierra, no es tóxico y es muy seguro.
- Facilita la biodegradación de compuestos orgánicos refractarios.
- No da lugar a la aparición de subproductos tóxicos.
- No existen limitaciones de transferencia de masa por tratarse de un sistema
homogéneo.
- Reduce la toxicidad de efluentes y vertidos finales.
- Validado a escala industrial.
- El diseño de reactores para la aplicación tecnológica es bastante sencillo.
- Amplio rango de aplicación a diversos tipos de efluentes, contaminantes y cargas
orgánicas.
- Sencillez operativa. (Ruiz C. S., 2015)
2.2.7. El carbón activado como adsorbente emergente.
El carbón activado es un producto de origen vegetal y tiene la propiedad de adsorber
químicos, metales pesados, gases, proteínas, desechos y toxinas, por esta razón resulta
ser muy importante para la desintoxicación.
Las propiedades adsorbentes de un carbón activado no dependen de la porosidad ya
que la superficie del carbón no es polar. Su uso es considerado como una refinación, por
lo tanto como tratamiento final suelen utilizar el carbón activado para eliminar trazas
especialmente de orgánicos que pueden estar presentes en el agua y que han resistido a
un tratamiento biológico, eliminando también el olor, color y sabor. (Sabio, 2010)
También se puede utilizar la zeolita o quitosano, los cuales tienen propiedades adsorbentes y
son más amigables con el medio ambiente.
31
2.3. Marco conceptual.
Contaminación.- Se denomina de esta manera a cualquier acción que interfiere o ingresa
en el ambiente de cualquier fuente, ya sea química, física o biológica que afecte a la salud
de de la población, animales, y/o ecosistema. (INSPIRACTION, 2017)
Minería.- Consiste en la extracción de rocas del subsuelo, en donde con el pasar de los
años se han acumulado minerales metálicos, entre ellos: oro, plata, cobre, los cuales son
bastante apreciados económicamente.
Agua.- Es una sustancia constituida por 2 moléculas de Hidrógeno y una de Oxígeno, en
estado líquido es incolora, inodora e insípida. Está distribuida en la tierra, conformando las
tres cuartas partes de esta. También los seres vivos están constituidos principalmente por
este recurso. Sin agua no hay vida en la tierra.
Cianuro.- Es cualquier compuesto que contiene el ión CN- y es altamente venenoso. En
los compuestos inorgánicos, como cianuro sódico, está presente como ión cianuro cargado
negativamente. (The Editors of Encyclopædia Britannica, 2017)
Metales pesados.- Son elementos naturales que tienen alto peso atómico y una densidad
5 veces mayor que la del agua. (Tchounwou, Yedjou, Patlolla, & Sutton, 2014)
Reacción Fenton.- Se conoce como Fenton a la reacción producida con peróxido de
hidrógeno, y sal de hierro (II).
32
2.4. Marco legal.
Las normas de calidad del agua, son disposiciones del Ministerio del Medio Ambiente
del estado Ecuatoriano.
ANEXO 1 DEL LIBRO VI DEL TEXTO UNIFICADO DE LEGISLACION
SECUNDARIA DEL MINISTERIO DEL AMBIENTE: NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES AL RECURSO AGUA.
En esta norma, en la tabla Nro. 10 se detalla los límites permisibles que debemos
cumplir, en nuestro caso para cianuro, cromo hexavalente, cadmio, hierro, cobre y la
DQO. A continuación se detalla la tabla.
33
Tabla 2. Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce.
Parámetros
Expresado como
Unidad
Límite máximo
permisible
Método
Aceites y Grasas Sustancias solubles en hexano mg/l 30,00 N/A
Alkil mercurio mg/l No detectable N/A
Aluminio Al mg/l 5,0 ASTM D857
Arsénico Total As mg/l 0,1 ASTM D2972
Bario Ba Mg/l 2,0 ASTM D4382
Boro Total B mg/l 2,0 ASTM D3082
Cadmio Cd mg/l 0,02 ASTM D3757
Cianuro Total CN- mg/l 0,1 ASTM D7284
Cinc Zn mg/l 5,0 ASTM D1691
Cloro Activo Cl mg/l 0,5 N/A
Cloroformo Extracto carbón cloroformo ECC mg/l 0,1 N/A
Cloruros Cl- mg/l 1000 ASTM D512
Cobre Cu mg/l 1,0 ASTM D1688
Cobalto Co mg/l 0,5 ASTM D3558
Coliformes Fecales NMP NMP/100ml 2000 N/A
Color real
Color real
Unidades de
color
Inapreciable en dilución
1/20
N/A
Compuestos Fenólicos fenol mg/l 0,2 ASTM D1783
Cromo Hexavalente Cr+6 mg/l 0,5 ASTM D5257
Demanda Bioquímica de
Oxígeno (5 días) DBO5
mg/l 100 N/A
Demanda Química de
Oxígeno DQO
mg/l 200 ASTM D1252
Estaño Sn mg/l 5,0 N/A
Fluoruros F mg/l 5,0 ASTM D1179
Fósforo Total P mg/l 10,0 ASTM D8001
34
Hierro Total Fe mg/l 10,0 ASTM 1068
Hidrocarburos Totales de
Petróleo TPH
mg/l 20,0 ASTM D7678
Manganeso Total Mn mg/l 2,0 ASTM D858
Materia Flotante Visibles Ausencia N/A
Mercurio Total Hg mg/l 0,005 ASTM D3223
Níquel Ni mg/l 2,0 ASTM D1886
Nitrógeno Amoniacal N mg/l 30,0 ASTM D1426
Nitrógeno Total Kjedahl N mg/l 50,0 ASTM D3590
Compuestos
Organoclorados Organoclorados totales
mg/l 0,05 ASTM 5317
Compuestos
Organofosforados Organofosforados totales
mg/l 0,1 ASTM D7597
Plata Ag mg/l 0,1 ASTM D3866
Plomo Pb mg/l 0,2 ASTM 3559
Potencial Hidrógeno pH unidades de pH 6-9 ASTM D1293
Selenio Se mg/l 0,1 ASTM D3859
Sólidos Suspendidos
Totales SST
mg/l 130 ASTM D6502
Sólidos Totales ST mg/l 1 600 ASTM D5907
Sulfatos SO4-2 mg/l 1000 ASTM D516
Sulfuros S mg/l 0,5 ASTM D4658
Temperatura °C Condicion natural +/- 3 N/A
Tensoactivos Sustancias Activas al azul de metileno mg/l 0,5 N/A
Tetracloruro de Carbono Tetracloruro de carbono mg/l 1, N/A
(Ministerio del Ambiente, 2015)
35
CAPÍTULO III
3. Marco metodológico
3.1. Diseño de la investigación.
Para cumplir con los estándares establecidos en la norma de descargas a cuerpos de agua
dulce, los cuales constan en el anexo 1 DEL LIBRO VI DEL TEXTO UNIFICADO DE
LEGISLACION SECUNDARIA DEL MINISTERIO DEL AMBIENTE: NORMA DE
CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES AL RECURSO AGUA
de la tabla Nro, 10, con los parámetros: Cromo hexavalente, cadmio, cianuro, hierro, cobre,
demanda química de oxígeno, y pH.
El tratamiento que se experimentará es la reacción Fenton para determinar si es aplicable
al agua residual proveniente del proceso de extracción de oro.
3.2. Tipo de investigación.
Se empleó la reacción Fenton por medio de la cual se logró cumplir con los límites de
descarga a un cuerpo de agua dulce.
Esta investigación se realizó bajo un método experimental exploratorio cuantitativo. Los
análisis de los distintos parámetros fueron realizados bajo estándares HACH, los cuales nos
permiten verificar la eficiencia del método empleado.
36
3.3. Instrumentación.
Los reactivos, materiales y equipos que se utilizaron en la realización experimental
con el fin de obtener datos confiables tanto en el inicio y final de las pruebas se
mencionan a continuación.
3.3.1. Equipos.
Balanza analítica METTLER PB303-S.
pHmetro HACH HQ40d.
Espectrofotómetro DR 6000 UV.
Equipo para test de Jarras PHIPPS&BIRD.
Beakers: 250-600-1000 ml.
Probetas graduadas: 100ml.
Matraz aforado de 250ml para preparar las soluciones.
Papel filtro de porosidad 5 micras.
Reactor de DQO HACH/COD Reactor (150 ºC).
Equipo de Baño María.
Embudo Buchner.
Equipo de agitación magnético.
Equipo de filtración.
37
3.3.2. Reactivos.
Sulfato ferroso heptahidratado (FeSO4·7H2O). Solución: 1000 ppm.
Solución H2O2 al 50% (peso), 𝜌 = 1.19 𝑔/𝑚𝑙
Digestion solution vials para DQO (HACH) 20-1500𝑚𝑔 𝐿⁄ .
Carbón Activado.
Sachet de CyaniVer 3 Cyanide Reagent.
Sachet de CyaniVer 4 Cyanide Reagent.
Sachet de CyaniVer 5 Cyanide Reagent.
3.4. Muestreo.
El muestreo fue realizado en una planta extractora de oro, ubicada en la vía al Pache,
cantón Zaruma, con las siguientes coordenadas El Oro -3.713034, -79.632396 (3°42’46.9”S
79°37’56,6”W).
La toma de muestras fue realizada en el punto final del proceso de extracción de oro,
antes que el agua residual sea depositada en las piscinas. Esta muestra fue tomada en
intervalos de tiempo (muestra compuesta), se la realizó con envases limpios, esterilizados y
rotulados para que no haya contaminación cruzada. La temperatura del efluente fue de 27ºC,
altitud 950 metros sobre el nivel del mar aproximadamente, con una presión atmosférica de
1013-1015 hPa.
Posteriormente se siguió el protocolo de custodia de la muestra, con el fin de mantener
sus propiedades físico químicas, hasta llegar al laboratorio para ser analizada.
38
Figura 3. Fotografía del Punto de Muestreo.
Fuente: Román María y Martínez Roxana. La muestra fue tomada en una planta extractora de oro en
la vía al Pache, cantón Zaruma. (2017)
Figura 4. Fotografía del Depósito del Agua Contaminada posterior a la extracción del oro.
Fuente: Román María y Martínez Roxana. Piscinas de depósito del agua contaminada en planta
extractora de oro en la vía al Pache, cantón Zaruma. (2017)
39
3.5. Metodología experimental.
La metodología experimental aplicada en el tratamiento de aguas residuales provenientes
de plantas extractoras de oro, consiste en:
a) Análisis del agua residual en laboratorio para la cuantificación de sus
contaminantes.
b) Determinación de las características del efluente.
c) Elaboración de un planteamiento experimental.
d) Aplicación del método y determinación de la dosificación más efectiva.
e) Análisis del agua residual tratada para la cuantificación de sus contaminantes.
3.5.1. Procedimiento experimental.
El procedimiento experimental que se realizó en cada prueba constó de las siguientes
etapas:
3.5.1.1. Sedimentación.
Es un tratamiento preliminar, el ensayo se dio en un cono de sedimentación Imhoff que
está graduado desde el fondo hacia arriba, este ensayo es realizado para separar el líquido
de los sólidos. Los sólidos (lodos) son almacenados en un tanque para posteriormente ser
llevados a los relaves, en donde es el depósito de este tipo de contaminantes.
40
3.5.1.2. Filtración.
Este método tiene como finalidad eliminar las partículas sólidas en suspensión, para
ello se utilizó un equipo de filtración al vacío, compuesto por un matraz Erlenmeyer, el
cual va interconectado con un embudo Büchner donde se coloca papel filtro de 5 micras
de porosidad y diámetro de 125 mm. Con la ayuda de una bomba de vacío se pasó la
muestra a través de un filtro. Esto se realizó con el fin de obtener una mejor eficiencia al
realizar la reacción Fenton.
3.5.1.3. Reacción Fenton.
Los ensayos se realizaron en beakers de 600 ml, en los cuales se colocó 500 ml del
agua a tratar.
Equipo de test de jarras.
Los beakers mencionados anteriormente fueron colocados en el equipo de test de
jarras. El equipo fue regulado para trabajar a 90 rpm, durante 30 minutos, luego de
colocado el oxidante ( H2O2 ) al 50% y el catalizador (FeSO4·7H2O) en solución de
1000 ppm.
Baño María.
Se observó que la reacción aún no concluía, por lo cual se llevó a cada una de las
muestras tratadas en el test de jarras a calentamiento en un equipo de baño maría, a una
temperatura constante de 60 ºC durante 10 a 15 minutos.
41
3.5.1.4. Sedimentación.
Una vez concluida la reacción, lo cual se puede comprobar por visualización, se procedió
a dejar en reposo durante 3 horas a cada uno de los beakers, esto con el fin de separar los
sedimentos del líquido.
3.5.1.5. Filtración.
Este procedimiento se realizó con papel filtro de 5 micras de porosidad y diámetro de 125
mm junto con elequipo de filtración descrito anteriormente, donde se logra obtener el agua
tratada totalmente cristalina y los sedimentos son almacenados en un tanque para
posteriormente ser llevados a los relaves.
3.5.1.6. Carbón activado.
Este elemento fue utilizado después de haber realizado varias pruebas para obtener una
muestra refinada. El carbón activado que se utilizó es del tipo GCN612, marca NORIT.
Disminución de la granulometría del carbón activado.
El carbón fue molido para disminuir su granulometría y así lograr aumentar la superficie de
contacto.
Lavado del carbón activado.
Luego del molido del carbón activado fue lavado con agua destilada, hasta que esta se torne
cristalina.
42
Secado del carbón activado.
El carbón activado fue llevado a una estufa durante 30 minutos, regulada a 104 °C para retirar
la humedad excedente. Luego se dejó enfriar a temperatura ambiente.
3.5.1.7. Agitación.
Luego de que se determinó la cantidad de carbón a utilizar, lo cual se detalla en el capítulo 4,
se procede a colocarlo en los beakers junto con el agua previamente tratada con la reacción
Fenton; posteriormente se procede a agitar con ayuda de un agitador magnético durante un
tiempo determinado, también mencionado en el capítulo 4.
3.5.1.8. Filtración.
Luego del procedimiento de agitación, se procede a llevar la muestra tratada a filtración
atmosférica, con la ayuda de un embudo de vidrio y papel filtro de 5 micras de porosidad y
diámetro de 125 mm.
Finalmente se obtiene una muestra cristalina para poder ser llevada a realizar las distintas
pruebas que permiten determinar la efectividad de la reacción Fenton y la aplicación del carbón
activado como adsorbente.
43
3.5.2. Planteamiento experimental.
Tabla 3. Planteamiento experimental
Relación en
volumen
(Fe2+)/(H2O2)
Fe2+
Solución
1000ppm
H2O2
al 50%
pH t (min)
1:1 3ml 3 ml 9 30
1:2 3 ml 6 ml 9 30
1:3 3 ml 9 ml 9 30
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Este planteamiento experimental, sirve de guía para realizar distintas corridas, ayudando a
optimizar las condiciones de operación para la reacción Fenton aplicada a aguas residuales
provenientes del proceso de extracción de oro.
Estas variables fueron estudiadas e investigadas con distintas corridas, realizadas previo a la
experimentación planteada.
3.6. Ingeniería de procesos
3.6.1. Diagrama de flujo del proceso.
En la Figura 5 se puede observar cada una de los procesos que se realizaron para el
tratamiento del agua residual proveniente de las plantas extractoras de oro.
44
Figura 5. Diagrama de Flujo del Proceso
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Muestra de agua residual
Sedimentación Filtración Reacción Fenton
H2O2 al 50%
Fe2+, solución 1000 ppm
90 rpm
Calentamiento
Sedimentación Filtración Adsorción
Carbón activado
Filtración
Agua residual tratada
60 °C Depósito de Lodos
Depósito de Lodos
45
CAPÍTULO IV
4. Marco metodológico
4.1. Análisis y discusión de resultados
Con las condiciones detalladas en el planteamiento experimental, la reacción Fenton se
aplicará con el fin de verificar que este proceso es eficiente en este tipo de aguas residuales.
Con análisis de laboratorio por la metodología HACH se comprobará lo mencionado
anteriormente.
4.2. Resultados experimentales
4.2.1. Relación Fe2+ / H2O2.
Previo a la aplicación de la reacción Fenton modificada en su pH (reacción con pH básico),
la muestra problema con un contenido de 3365 mg/Lt de la DQO y 46 mg/Lt de cianuro, fue
sometida a un proceso de sedimentación y filtración como se detalla en el capítulo 3, para
finalmente obtener una DQO de 800 mg/Lt, esta cifra corresponde al valor inicial para la
reacción Fenton.
En las tablas 3 a 5 se muestran las distintas relaciones de Fe2+ y H2O2 que se utilizaron para
comprobar cuál es la más eficiente. Por medio de cálculos se demuestra el porcentaje de
remoción de DQO y Cianuro.
46
Tabla 4. Relación 1:1 (Fe2+/H2O2)
Muestra 1
Relación 1:1
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 3 ml
H2O2 al 50% 3 ml
pH 9
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
DQO 800 mg/Lt 464 mg/Lt 42,00 %
Cianuro 46 mg/Lt 0,058 mg/Lt 99,87 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Tabla 5. Relación 1:2 (Fe2+/H2O2)
Muestra 1
Relación 1:2
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 3 ml
H2O2 al 50% 6 ml
pH 9
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
DQO 800 mg/Lt 539 mg/Lt 32,63 %
Cianuro 46 mg/Lt 0,053 mg/Lt 99,88 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
47
Tabla 6. Relación 1:3 (Fe2+/H2O2)
Muestra 1
Relación 1:3
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 3 ml
H2O2 al 50% 9 ml
pH 9
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
DQO 800 mg/Lt 547 mg/Lt 31,63 %
Cianuro 46 mg/Lt 0,011 mg/Lt 99,98 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Tabla 7. Resultados obtenidos con distintas relaciones entre Fe2+ / H2O2
Relación % de Remoción de la DQO % de Remoción del Cianuro
1:1 42,00 % 99,87 %
1:2 32,63 % 99,88 %
1:3 31,63 % 99,98 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
48
4.2.2. Análisis de resultados obtenidos con distintas relaciones entre Fe2+ /
H2O2.
De acuerdo a los resultados obtenidos, la relación 1:3 alcanzó el mayor porcentaje de
remoción del cianuro, un 99,98%. Sin embargo, la relación 1:1 alcanzó un porcentaje de
remoción ligeramente menor, un 99,87%, pero un mayor porcentaje de remoción de la DQO:
42,00% versus 31,63% del alcanzado con la relación 1:3.
En base a estos resultados, y considerando que el consumo del reactivo (peróxido de
hidrógeno) es 3 veces menor en la relación 1:1 que en la relación 1:3. Se determinó que la
relación más beneficiosa a utilizar para la remoción tanto del cianuro como de la DQO es la
relación 1:1. La reacción Fenton modificada en su pH (básico) relata una remoción efectiva
de contaminantes con valores óptimos descritos como resultados; evitando las descargas del
ácido cianhídrico al medio ambiente y controlando casi el 100% de la contaminación al
punto aplicado.
Por tanto, en adelante se experimentará con la relación 1:1 entre catalizador (Fe2+) y
reactivo (H2O2).
49
4.2.3. Experimentación con distintas dosificaciones para mejorar la remoción
del DQO, metales pesados y cianuro.
Una vez escogida la mejor relación en base a los resultados obtenidos, como se puede
apreciar en la tabla 6. Se procedió a realizar nuevas experimentaciones variando las
dosificaciones de Fe2+ / H2O2, como se detalla en las tablas 7, 8 y 9.
Tabla 8. Prueba A – (4 ml Fe2+ / 4 ml H2O2) - Remoción de la DQO y Cianuro.
Prueba A
Relación 1:1
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 4 ml
H2O2 al 50% 4 ml
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
DQO 800 mg/Lt 443 mg/Lt 44,63 %
Cianuro 46 mg/Lt 0,055 mg/Lt 99,88 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
50
Tabla 9. Prueba B – (5 ml Fe2+ / 5 ml H2O2) - Remoción de la DQO y Cianuro.
Prueba B
Relación 1:1
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 5 ml
H2O2 al 50% 5 ml
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
DQO 800 mg/Lt 401 mg/Lt 49,88 %
Cianuro 46 mg/Lt 0,042 mg/Lt 99,91 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Tabla 10. Prueba C – (7 ml Fe2+ / 7 ml H2O2) - Remoción de la DQO y Cianuro.
Prueba C
Relación 1:1
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 7 ml
H2O2 al 50% 7 ml
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
DQO 800 mg/Lt 385 mg/Lt 51,88 %
Cianuro 46 mg/Lt 0,019 mg/Lt 99,96 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
51
Tabla 11. Resultados obtenidos con la relación 1:1 entre Fe2+ / H2O2 y variación en las
dosificaciones.
Prueba % de Remoción de la DQO % de Remoción del Cianuro
A 44,63 % 99,88 %
B 49,88 % 99,91 %
C 51,88 % 99,96 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
4.2.4. Análisis de resultados obtenidos con las distintas dosificaciones.
Como se aprecia en la tabla 10, entre las tres experimentaciones con distintas dosificaciones
de Fe2+ / H2O2, la prueba C (7ml:7ml), muestra los mejores porcentajes de remoción tanto de
la DQO con 51,88% como del cianuro con 99,96%.
Sin embargo, a pesar de que se obtuvo un alto porcentaje de reducción de la DQO, no se
alcanzó estar por debajo del límite de 200 mg/Lt requerido por la Norma de Calidad Ambiental
y de Descarga de Efluentes al Recurso Agua, emitida por el Ministerio del Ambiente. Por tanto
se tomó la decisión de optimizar la reacción Fenton agregando carbón activado al final del
procedimiento, debido a sus excelentes propiedades de adsorción como se detalló en el Capítulo
2.
A continuación en la tabla 11 se presentan los resultados obtenidos utilizando el carbón
activado como un adsorbente.
52
4.2.5. Experimentación con carbón activado como elemento emergente para
mejorar el tratamiento.
El carbón activado es conocido por su gran poder de adsorción, efectivo en la eliminación
de una gran variedad de compuestos orgánicos que provienen de distintas fuentes
industriales.
Para comprobar la efectividad del carbón activado en el mejoramiento de la pureza del
agua, se experimentó con muestras de 50 ml de agua previamente tratada con reacción
Fenton, utilizando las dosificaciones mencionadas en la tabla 9.
El procedimiento a realizar para emplear carbón activado fue mencionado en el capítulo
3.
Las variables a considerar en esta experimentación son las siguientes:
- Peso del carbón.
- Tiempo de contacto.
Tabla 12. Experimentación con carbón activado como elemento emergente para disminuir la
DQO
Muestra
Nro.
Volumen
de la
muestra
pH Carbón Tiempo
DQO
inicial
DQO
final
% de
Remoción
pH luego
del carbón
1 50 ml 8,19 12,50 g 20 min 385 mg/Lt 193 mg/Lt 49,87 % 8,46
2 50 ml 8,19 18,75 g 15 min 385 mg/Lt 248 mg/Lt 35,58 % 8,48
3 50 ml 8,19 25,00 g 10 min 385 mg/Lt 301 mg/Lt 21,81 % 8,31
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
53
4.2.6. Análisis de resultados obtenidos en la experimentación con carbón
activado como elemento emergente.
La muestra que mejores resultados demostró fue la Nro. 1, con una reducción del 49,87%
de la DQO, hasta llegar a 193 mg/Lt. Se logra así estar por debajo del límite máximo permitido
por la normativa ambiental de 200 mg/Lt.
Es decir, una muestra inicial con 3365 mg/Lt de la DQO, tras ser procesada con
sedimentación, filtración y con la reacción Fenton más aplicación de carbón activado en la
relación y concentraciones detalladas, redujo sus contaminantes a 193 mg/Lt de la DQO,
cumpliendo así las normativas ambientales pertinentes.
4.2.7. Experimentación final con reacción Fenton modificada más Carbón
activado como elemento emergente.
Tras estos resultados satisfactorios, se procedió a realizar la experimentación final
comprobatoria del proceso.
Se utilizó una muestra de 1 litro de agua contaminada con 46 mg/Lt de cianuro y 800 mg/Lt
de la DQO, previamente sometida a los tratamientos primarios de sedimentación y filtración
(originalmente la DQO era de 3365 mg/Lt). Para la reacción Fenton se utilizó 14 ml de Fe2+ y
14 ml de H2O2, conservando la relación 1:1 y la dosificación correspondiente a los resultados
previos exitosos. Y para la aplicación de carbón activado se utilizó 250 g y un tiempo de 20
min, según corresponde a los resultados satisfactorios previos. Adicionalmente a la remoción
de la DQO y el cianuro, se evaluó el contenido de metales pesados (cadmio, cromo hexavalente,
hierro y cobre) presentes en la muestra.
54
Tabla 13. Experimentación final del tratamiento con la Reacción Fenton.
Volumen 1000 ml
pH 9
(Fe2+)/(H2O2) 1:1
FeSO4 7H2O (1000 ppm) 14 ml
H2O2 al 50% 14 ml
Tiempo de contacto 30 min
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
Cianuro 46 0,050 99,89 %
DQO 800 mg/Lt 375 mg/Lt 53,13 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Tabla 14. Experimentación final del tratamiento con Carbón Activado como elemento
emergente tras Reacción Fenton
Volumen 1000 ml
pH 8,20
Cantidad de carbón 250 g
Tiempo de contacto 20 min
Variables a analizar Inicial Final % de Remoción
Cianuro 0,050 0,004 92,00%
DQO 375 mg/Lt 188 mg/Lt 49,87 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
55
Tabla 15. Datos de remoción de Cianuro al aplicar la reacción Fenton
Tiempo Cianuro (mg/Lt)
0 46,00
6 0,183
12 0,169
18 0,125
24 0,112
30 0,050
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Estos datos fueron tomados durante la aplicación de la reacción Fenton, el tratamiento se
detalla en la tabla 12.
Figura 6. Remoción de Cianuro al aplicar la reacción Fenton.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 6 12 18 24 30
Cia
nu
ro (
mg/
Lt)
Tiempo (min)
Remoción de Cianuro (mg/Lt)
Cianuro (mg/Lt)
Límite permisibleCianuro (mg/Lt)
56
Tabla 165. Datos de remoción de Hierro al aplicar la reacción Fenton.
Tiempo Hierro (mg/Lt)
0 1,62
6 1,11
12 0,15
18 0,10
24 0,08
30 0,06
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
Estos datos fueron tomados durante la aplicación de la reacción Fenton, el tratamiento se
detalla en la tabla 12.
Figura 7. Remoción de Hierro al aplicar la reacción Fenton.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
0
2
4
6
8
10
12
0 6 12 18 24 30
Hie
rro
(m
g/Lt
)
Tiempo (min)
Remoción de Hierro (mg/Lt)
Hierro (mg/Lt)
Límite permisible Hierro(mg/Lt)
57
Tabla 176. Datos de remoción de la DQO después de aplicar la reacción Fenton y Carbón
activado
Tiempo DQO (mg/Lt)
0 800
45 375
65 188
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
El análisis de la DQO fue realizado luego de haber realizado el tratamiento primario
(sedimentación y filtración), minuto 0. En el minuto 45, luego de haber realizado la reacción
Fenton y haber llevado la muestra a calentamiento por baño María, las dosificaciones se
detallan en la tabla 12. Posterior a esto se aplicó el tratamiento con carbón activado como se
detalla en la tabla 13 y se tomó la última muestra en el minuto 65.
Figura 8. Remoción de la DQO al aplicar la Reacción Fenton y Carbón Activado.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 45 65
DQ
O (
mg/
Lt)
Tiempo (min)
Remoción de la DQO (mg/Lt)
DQO (mg/Lt)
Límite permisible DQO(mg/Lt)
Aplicación de Carbón Activado
58
4.2.8. Muestra inicial vs. final con la aplicación de la Reacción Fenton más
Carbón Activado como elemento emergente.
Tabla 18. Resultados de análisis de laboratorio en muestra inicial y final
Parámetros
Resultados
muestra
inicial
Límite
máximo
permisible
Resultados
muestra
final
% Remoción
Cadmio (Cd) N/D 0,02 mg/Lt N/D
Cianuro (CN) 46 mg/Lt 0,1 mg/Lt 0,004 mg/Lt 99,99 %
Cobre (Cu) 0,46 mg/Lt 1,0 mg/Lt 0,19 mg/Lt 58,70 %
Cromo hexavalente (Cr6) 0,672 mg/Lt 0,5 mg/Lt 0,020 mg/Lt 97,02 %
Hierro (Fe) 1,62 mg/Lt 10,0 mg/Lt 0,04 mg/Lt 97,53 %
Color 440 Pt/Co
Inapreciable
en dilución
1/20
8 Pt/Co 98,18 %
Turbidez 96.700 NTU 2,06 NTU 99,99 %
pH 9,18 6-9 8,85 6-9
Demanda Química de Oxígeno (DQO) 3.364 mg/Lt 200 mg/Lt 181 mg/Lt 94,62 %
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) -- 100 mg/Lt 24 mg/Lt --
Sólidos suspendidos
145.700
mg/Lt
130 mg/Lt 1 mg/Lt 99,99 %
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017)
59
CONCLUSIONES
La muestra de agua residual proveniente del proceso de extracción de oro de la
industria minera con un contenido de 3365 mg/Lt de la DQO y 46 mg/Lt de cianuro,
fue sometida a un proceso de sedimentación y filtración en donde se logró obtener
una DQO de 800 mg/Lt. Con la aplicación de la reacción Fenton modificada en este
estudio, en sus diferentes concentraciones se alcanzaron remociones promedio de la
DQO del 42,11% y del cianuro del 99,91%.
Las variables que se consideraron para tratar el agua residual proveniente del proceso
de extracción de oro son: la relación (Fe2+)/(H2O2), la concentración del catalizador,
en este caso fue utilizado el Fe2+, en la forma de FeSO4 7H2O, pH y tiempo óptimo
de contacto.
Con la aplicación de la reacción Fenton modificada y carbón activado como
elemento emergente, se logró cumplir con los límites de descarga de las normativas
medio ambientales para cuerpos de agua dulce, impuestas por el Ministerio del
Ambiente en Ecuador.
Con la aplicación de la reacción Fenton en el tratamiento de aguas residuales
provenientes del proceso de extracción de oro de la industria minera, se alcanzaron
remociones del cianuro 99,99%, cobre 58,70%, cromo hexavalente 97,02%, hierro
97,53%, color 98,18%, turbidez 99,99%, de la DQO 94,62% y sólidos suspendidos
99,99%.
60
El uso del carbón activado como elemento emergente permitió alcanzar los objetivos
propuestos en el caso de la DQO, con un porcentaje de remoción del 31,70 %. El
tiempo de contacto y la capacidad de adsorción del carbón activado serán temas de
investigación para posteriores tesis.
61
RECOMENDACIONES
Los sólidos suspendidos residuales en condiciones de forma iónica deben ser
preservados por su alto valor agregado.
Realizar un estudio intensivo de los sólidos suspendidos para obtener óxido de plata,
oro, hierro; compuestos químicos utilizados en la nanoindustria, los cuales son
importados actualmente en nuestro país y descargados directamente a nuestros ríos,
desaprovechando su valor económico.
Determinar y controlar la dosis de peróxido de hidrógeno y el catalizador Fe2+, ya
que estos en exceso pueden aumentar la concentración de la DQO, y ser ineficientes
en la remoción de metales pesados y cianuro.
Sedimentar y filtrar la muestra problema para obtener una mayor eficiencia al aplicar
la reacción Fenton.
Calentar la muestra luego de aplicar el peróxido de hidrógeno junto con el catalizador
con el fin de acelerar la reacción.
A este tratamiento incorporar la aplicación de ingeniería de las reacciones para
determinar la velocidad de reacción, variación de la constante cinética y energía de
activación.
62
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66
ANEXOS
Anexo 1. Informes de las muestras analizadas en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil.
67
Figura 9. Análisis completo de muestra inicial.
Fuente: Laboratorio acreditado de aguas de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de
Guayaquil (2017).
68
Figura 10. Análisis completo de muestra final.
Fuente: Laboratorio acreditado de aguas de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de
Guayaquil (2017).
69
Anexo 2. Figuras de las etapas del proceso
Figura 11. Muestra inicial del agua residual generada en el proceso de extracción de oro.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). El efluente fue tomado en una planta
extractora de oro en la vía al Pache, cantón Zaruma. (2017)
Figura 12. Muestra del agua residual en el primer tratamiento.
1. Muestra del agua residual en un sedimentador Imhoff; 2. Lodos sedimentados; 3. Agua clarificada.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
1 2 3
70
Figura 13. Reacción Fenton.
1. Muestra con H2O2 al 50% y catalizador FeSO4 7H2O (solución 1000ppm); 2. Muestra después de media hora de
reacción.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
Figura 14. Reacción Fenton concluida.
1. Reacción Fenton concluida; 2. Equipo de filtración. Separación sólido - líquido.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
1 2
1
2
71
Figura 15. Tratamiento final luego de concluida la reacción Fenton y adición de carbón activado.
1. Matraz con carbón activado; 2.Matraz con carbón activado más agua tratada con la reacción Fenton.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
Figura 16. Muestra de agua residual tratada.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
1 2
72
Figura 17. Reactor de DQO HACH/COD a 150 ºC.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
Figura 18. Equipo para medir pH.
1. pHmetro HACH HQ40d; 2. Buffers para calibrar el pHmetro.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
1 2
1
73
Figura 19. Equipo para determinar cianuro.
1. Sachets de Cyanide Reagent, para analizar Cianuro. 2. Muestra a analizar. 3. Determinación del cianuro en
espectrofotómetro DR 6000 UV.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
1 2
3
74
Figura 20. Análisis de color.
1. Papel filtro cualitativo, para analizar color verdadero a la muestra antes del tratamiento; 2. Papel filtro cualitativo,
para analizar color verdadero a la muestra después del tratamiento; 3. Determinación de color en espectrofotómetro
DR 6000 UV.
Fuente: Román María y Martínez Roxana (2017). Fotografía tomada en el laboratorio acreditado de aguas de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. (2017)
1
Espacio para el texto Espacio para el texto Espacio para el texto
2
3
75
Anexo 3. Caracterización de contaminantes.
A continuación se detalla sólo los procedimientos realizados para determinar el cianuro y DQO de
la muestra antes y después de la aplicación de la reacción Fenton.
Demanda química de oxígeno.
a) Esta prueba se realiza con viales de solución de digestión (Digestion solution vials)
para DQO (HACH) 20-1500 mg/l.
b) Se añade 2 ml de la muestra a los viales con la solución de digestión de la muestra a
analizar.
c) Se agita por 5 segundos.
d) Se llevan a un reactor para DQO, que está a graduado a 150ºC, los viales permanecen
dos horas en este reactor.
e) Después de que haya transcurrido el tiempo mencionado anteriormente, se dejan
enfriar a temperatura ambiente.
f) Los viales son colocados en el Espectrofotómetro DR 6000 UV, uno a uno.
g) Se procede a tomar los datos que arroja el equipo.
Cianuro.
a) Esta prueba se realiza por el método Pyridine-Pyrazalone (HACH).
b) Se utiliza un cilindro graduado de 10 ml de capacidad, en el cual se vierten 10 ml de
la muestra a analizar.
c) Se añade un sachet de CyaniVer 3 Cyanide Reagent.
d) Se agita por 30 segundos y se deja reaccionar por 30 segundos más.
76
e) Después del tiempo de reacción se añade el sachet de CyaniVer 4 Cyanide Reagent.
f) Se agita por 10 segundos y se añade el sachet CyaniVer 5 Cyanide Reagent.
g) Nuevamente se agita hasta que se disuelve todo el reactivo.
h) Se espera 30 minutos para que se efectúe la reacción.
i) El cilindro es colocados en el Espectrofotómetro DR 6000 UV.
j) Se procede a tomar los datos que arroja el equipo.
