Desarrollo de un sistema filtrante para la eliminación de nitratos en aguas contaminadas

Abstract

La contaminación con nitratos de fuentes de aguas destinadas al consumo humano es una problemática creciente a nivel mundial, producida principalmente como consecuencia del uso de ciertos tipos de fertilizantes en el sector agrícola, y por la mala disposición de residuos orgánicos sólidos y líquidos. Dado que las técnicas actuales para el tratamiento de dichas aguas son muy costosas y de difícil implementación, el objetivo del presente trabajo es el desarrollo de un sistema filtrante para la eliminación de los nitratos del agua, basado en tecnologías económicas, de sencilla aplicación, bajo impacto ambiental y escalables a nivel industrial. Como aproximación a una solución ante dicha problemática, se planteó el diseño de una columna de adsorción como método de purificación continuo, evaluando dos tipos de materiales como componentes activos para la remoción. Por un lado se estudió la capacidad de adsorción de un material compuesto en forma de esferas de matriz polimérica de polivinil alcohol (PVA) y alginato de sodio (Ags) con partículas de hidrotalcita sintética (HT). Por otro, se analizaron hidrogeles de quitosano sometidos a un tratamiento de entrecruzamiento y funcionalización (protonación), para maximizar la integridad física y la capacidad de eliminación de nitratos respectivamente. Simultáneamente a los ensayos de remoción de estos distintos materiales, se fueron realizando otras caracterizaciones como: DSC, TGA y DTG, FTIR y DRX, buscando relacionarlas con el proceso de síntesis, de forma de optimizarlo y así obtener mejores resultados de eliminación de nitratos. En una primera instancia los ensayos de adsorción se realizaron en sistemas en batch para analizar la eficiencia y capacidad de los materiales, y usar la información como punto de partida para un sistema continuo (más eficiente y aplicable a nivel industrial). Para esto se utilizaron como soluciones contaminadas, una solución ideal de 100 ppm de nitratos preparada en laboratorio (concentración que excede el límite establecido por la legislación provincial, y del orden de los valores que se han encontrado en distintos pozos de agua en ciertas zonas del partido de General Pueyrredón1–4) y muestras de agua reales tomadas de la empresa “Cooperativa el Nuevo Amanecer” (127 ppm de nitratos y un alto contenido de sólidos disueltos totales). En un comienzo se procedió a la síntesis de la HT mediante el método de coprecipitación. Esta funcionaría como componente activo de adsorción del material compuesto. Se realizaron un total de 9 síntesis donde se fue variando el procedimiento de la misma en busca de optimizar las propiedades de adsorción. Se llegó a obtener un 82 % de remoción de nitratos sobre la solución ideal, al realizar el ensayo en batch. A pesar de estos buenos resultados, surgieron complicaciones en la reproducibilidad de las síntesis, ya que aun en los casos en que se seguía el mismo procedimiento, se obtenían capacidades de adsorción diferentes. Luego se realizó la síntesis de una matriz de PVA/Ags, y una vez determinada la relación óptima entre los componentes se prosiguió al desarrollo del material compuesto. Se fueron analizando distintas relaciones entre la matriz y la HT, incrementando la proporción de la arcilla. El material compuesto con relación en masa 1:1:2 (PVA:Ags:HT) presentó los mejores resultados, con un 41% de remoción. De esta forma se pudo observar una gran restricción de la matriz polimérica en la capacidad de adsorción del componente activo. Cabe aclarar que la aplicación de hidrotalcita por sí sola en un sistema filtrante no es viable a nivel industrial debido a diversas problemáticas (complicaciones en la extracción, generación de lecho sólido que dificulta la filtración del agua, entre otros). Buscando un material con mayor capacidad de remoción de nitratos para ser analizado como componente activo del sistema filtrante, se sintetizaron hidrogeles de quitosano funcionalizado, obteniendo muy buenos resultados, del orden del 80% de adsorción. Por otro lado, se hizo un estudio para determinar la dosis óptima a utilizar en un sistema en batch y se evaluó las cualidades en la reutilización de las perlas de quitosano luego de ser tratadas con una solución de NaOH, obteniendo resultados eficientes en remoción luego de dos reúsos sobre el adsorbente. También se llevaron a cabo ensayos en batch sobre aguas reales donde se consiguió un porcentaje de remoción del 51%. La disminución en la eficiencia de remoción es debida a que las muestras de aguas reales presentan otros iones que compiten con los nitratos por los sitios de adsorción, que la solución ideal de nitratos no posee. A partir de los resultados de remoción obtenidos, se estudió el proceso de adsorción con quitosano funcionalizado utilizando modelos matemáticos de isotermas y cinética de adsorción. Para el estudio de isotermas el modelo que mejor ajustó los datos experimentales fue el de Langmuir, mientras que la cinética de adsorción se corresponde con el modelo de pseudo segundo orden. Debido al alto costo del quitosano utilizado se evaluó una alternativa de industria nacional más económica, a la cual se le realizó el mismo tratamiento de síntesis. De este modo se obtuvieron reducciones en la concentración de nitratos de hasta un 70 %, pudiendo ser reutilizados en una ocasión (manteniendo la capacidad de remoción). Los resultados fueron aceptables, pero se presentaron inconvenientes al realizar el goteo de las perlas (dificultades que no permitían la reproducibilidad) y la resistencia de las perlas era menor en comparación a las del reactivo más caro. En base a los resultados de los diferentes materiales analizados se determinó que el mejor material pata la realización de los ensayos de remoción en la columna de adsorción (sistema continuo) era el quitosano funcionalizado (de origen importado). Pero debido al contexto actual de la pandemia COVID-19 (SARS-CoV-2), que desencadenó en la suspensión de las actividades en el mes de marzo en los laboratorios del INTEMA, no se pudo realizar este último ensayo. A partir del mismo se esperaba obtener una mayor capacidad de tratamiento respecto del sistema en batch, para posteriormente realizar un escalado y evaluación económica de la aplicabilidad de dicho sistema en el caso real ingenieril de la empresa “Cooperativa el Nuevo Amanecer” Dada esta problemática, se optó por evaluar la aplicabilidad a partir de los resultados en batch, de forma de tener una idea de los costos asociados al proceso. Se compararon los costos/inversión con los de una técnica comúnmente empleada a nivel industrial, la de intercambio iónico, basado en un presupuesto real (para nuestro caso en estudio) realizado por la empresa “Fluence”, proveedor global líder de soluciones de tratamiento de aguas que posee una sede en el parque industrial General Savio. Esta última resultó ser más rentable, sin embargo, se debe considerar que se esperaría que los resultados en un sistema continuo sean más eficientes, teniendo en cuenta esto, y sumado a otras futuras optimizaciones del proceso, nuestro sistema podría constituir una alternativa viable y de sencilla aplicación frente a otras costosas técnicas como solución a esta problemática tan presente. Mail del autor Federico Cioffi <federico.cioffi95@gmail.com>