ROSA MARÍA RAMÍREZ ZAMORA RAFAEL SCHOUWENAARS
BERTHA MARÍA MERCADO BORRAYO
Evitar la sobreexplotación Disminuir los riesgos a la salud
Adsorción es un método muy eficiente y ampliamente utilizado en plantas de tratamiento de agua. Desventaja: Altos costos
Reutilización de subproductos (escorias de la industria de hierro y del acero) permitiría
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JUSTIFICACIÓN
- Reducir costos de producción adsorbentes/ tratamiento de agua
- No generar subproductos de la producción de adsorbentes
- Disminuir el volumen para disposición (riesgo ambiental)
Entre los contaminantes susceptibles de ser removidos se encuentran metales pesados, boratos, colorantes de la industria textil y fosfatos.
Arsénico Alto riesgo a la salud pública
Mapa 1. Países con presencia de contaminación de arsénico
3 Krishna et al., 2008; Xue et al., 2009; Yang et al., 2009; Biterna et al., 2007; Bundschuh et al., 2009; Henke, 2009
JUSTIFICACIÓN
En la República Mexicana se estima que aproximadamente seis millones de personas que viven en la zona Centro-Norte del país está en contacto directo y consume agua contaminada con arsénico.
Mapa 2. Estados de la República con presencia de contaminación de arsénico
Origen natural
Origen antropogénico
Agua potable Reúso agrícola
Internacional 0.01 mg/L 0.1 a 2 mg/L
México 0.025 mg/L No reportado
4 WHO 2003; Sancha y Esparza, 2000; Choong et al., 2007; NOM-127-SSA1-1994 (Modificada); EPA, 2006; Moss y Nagpal, 2003
JUSTIFICACIÓN
Escorias metalúrgicas de hierro y acero
Producción de hierro y acero 5 951 662 toneladas en 2011
Construcción
Caminos
Remediación de suelo
No son clasificadas residuo peligroso
ADSORBENTE
5 INEGI, 2010; NMX-B-085-CANACERO-2005
JUSTIFICACIÓN
Evaluar la factibilidad de la remoción a niveles aceptables en agua de fosfatos, boratos y colorantes orgánicos empleando como adsorbentes escorias metalúrgicas (subproductos) de la industria del hierro
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OBJETIVO GENERAL
Escoria
•Obtención de escorias (5 tipos, 80% producción nacional)
•Caracterización fisicoquímica y mineralógica
Aguas a tratar
•Soluciones preparadas en el laboratorio con concentraciones de As •Agua subterránea de la cuenca de Tucumán, Argentina (óptimos) •Agua residual geotérmica de “Los Humeros”, México (óptimos)
Proceso de
adsorción
•Diseño experimental (Concentraciones iniciales de 6 mg As/L)
• Factores de influencia
•Mecanismo del proceso de adsorción
•Condiciones óptimas de operación
•Comparación usando nanopartículas de hierro cerovalente y una resina
Costos
•Principales costos asociados al proceso de adsorción (“Los Humeros”)
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DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN
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RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ESCORIAS
Porcentaje de abundancia de fases cristalinas y mineralógicas y área de escorias
Escoria Silicatos Óxidos e Hidróxidos
1 Hidróxido de silicato de calcio y aluminio Ca3AlFe(SiO4)(OH)8 (12.55%) Silicato de calcio hidratado Ca2SiO4*H2O (6.58%)
Portlandita Ca(OH)2 (29.87%) Óxido de calcio y hierro CaFe2O4 (12.89%) Brucita Mg(OH)2 (38.11%)
2 Cuarzo SiO2 (54.52%) Anortita CaAl2Si2O8 (11.21%)
Espinela MgAl2O4 (34.27%)
3 Merwinita Ca3Mg(SiO4)2 (9.24%) Gehlenita Ca2Al2SiO7 (4.74%)
Óxido de hierro FeO (54.85%) Brucita Mg(OH)2 (31.17%)
4 Cuarzo SiO2 (10.73%) Larnita Ca2SiO4 (16.69%)
Browmillerita Ca2(Al,Fe)2O5 (26.29%) Óxido de aluminio y calcio Ca3Al2O6 (46.29%)
5 Fayalita FeSiO4 (35.76%) Magnesioferrita MgFe2O4 (64.24%)
Escoria Area superficial
específica (m2/g)
1 7.34 0.11
2 1.660.12
3 3.340.06
4 0.770.11
5 0.660.05
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DISEÑO EXPERIMENTAL No. 1 Diseño factorial 3k por duplicado para remoción de arsénico ([As]o = 6 mg/L) con escorias
Factores Niveles
-1 0 1
X1= pH 7 9 11
X2= Temperatura (°C) 25 35 45
X3= Dosis de escoria (g/L) 3 5 7
7 a 11
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DISEÑO EXPERIMENTAL No. 2
Remoción de arsénico con tres adsorbentes comerciales
Caracterización de los adsorbentes comerciales Nanopartículas A Nanopartículas B Resina de Intercambio
Compañía Nanoiron Nanotek Lewatit
País de origen República Checa República Argentina República Federal Alemana
Nombre comercial Nanofer 25 NanoFe Lewatit FO 36
Compuesto que actúa como adsorbente
68% FeO
Magnetita Fe3O4 Óxido ferroso FeO
60-90% Magnetita Fe3O4 Maghemita g-Fe2O3 Goethita a-FeO(OH)
FeO(OH)
Tamaño de partícula (nm) 50 5-15 No Reportado
Área superficial (m2/g) 25 55-63 No Reportado
N=2k+2n=23+2=8+2=10 (duplicado)=20
[Dosis de adsorbente (g/L)], pH, [Semimetal (mg/L)]
Dra. Marta Litter (Buenos Aires, Argentina)
Valores codificados -1 0 1
pH 7 9 11
Concentración de arsénico 0.3 mg/L 3.15 mg/L 6 mg/L
Dosis del adsorbente 0.046 g/L 3.523 g/L 7 g/L
Valores reales para la remoción de As usando las escorias y la resina de intercambio
Potencial Z
Valores codificados -1 0 1
pH 7 7.5 8
Concentración de arsénico 0.3 mg/L 3.15 mg/L 6 mg/L
Dosis de nanopartículas 0.05 g/L 0.536 g/L 1.02 g/L
Potencial Z
Valores reales para la remoción de As usando nanopartículas A y B
DISEÑO EXPERIMENTAL No. 2
7 a 8
11
RESULTADOS EXPERIMENTALES No. 1
0.1 a 2.0 mgAs/L
Escoria 3 77%
Val. Codificados Valores Reales % Remoción Conc. Residual (mg/L)
A B C
Temperatura (°C)
Dosis de escoria (g/L) pH Escoria 1 Escoria 3 Escoria 1 Escoria 3
1 0 -1 45 5 7 34.29 49.79 3.94 3.01
0 -1 1 35 3 11 52.70 97.17 2.84 0.17
-1 -1 -1 25 3 7 33.12 67.68 4.01 1.94
-1 0 1 25 5 11 59.70 95.59 2.42 0.26
1 1 0 45 7 9 49.73 72.98 3.02 1.62
-1 -1 0 25 3 9 46.06 89.42 3.24 0.63
-1 1 1 25 7 11 61.91 99.67 2.29 0.02
0 -1 -1 35 3 7 34.11 49.56 3.95 3.03
-1 -1 1 25 3 11 56.32 94.31 2.62 0.34
-1 0 -1 25 5 7 36.27 68.55 3.82 1.89
0 1 1 35 7 11 60.98 98.68 2.34 0.08
1 -1 1 45 3 11 51.13 90.87 2.93 0.55
1 1 1 45 7 11 63.89 96.35 2.17 0.22
0 1 -1 35 7 7 38.02 58.36 3.72 2.50
-1 1 0 25 7 9 49.62 91.86 3.02 0.49
1 -1 -1 45 3 7 28.34 48.57 4.30 3.09
0 1 0 35 7 9 48.68 77.88 3.08 1.33
0 0 1 35 5 11 61.27 96.24 2.32 0.23
1 -1 0 45 3 9 43.96 69.08 3.36 1.86
1 1 -1 45 7 7 36.79 57.66 3.79 2.54
1 0 0 45 5 9 44.55 70.89 3.33 1.75
1 0 1 45 5 11 58.01 93.09 2.52 0.41
0 -1 0 35 3 9 42.80 73.28 3.43 1.60
-1 1 -1 25 7 7 38.08 72.17 3.72 1.67
-1 0 0 25 5 9 47.46 82.54 3.15 1.05
0 0 0 35 5 9 45.24 74.79 3.29 1.51
0 0 -1 35 5 7 35.51 52.12 3.87 2.87
12
Concentración residual de arsénico usando cuatro diferentes tipos de adsorbentes
[As]o = 0.3 mgAs/L
7g[Escoria, Resina]/L, pH 11, [6 mgAs/L]o
1.02g[Nanopartículas A y B]/L, pH 9, [6 mgAs/L]o y = capacidad de adsorción
Riego
RESULTADOS EXPERIMENTALES No. 2
13
[As]o = 6 mgAs/L
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Co
nce
ntr
ació
n r
esi
du
al d
e A
s [m
g/L]
Número de experimento
Escoria 3
Resina
Nanopartículas A
Nanopartículas B
Escoria 3 Resina Nanop. A Nanop. B
y (mg/g) 0.852 0.853 5.81 5.27
Concentración residual de arsénico usando cuatro diferentes tipos de adsorbentes
0.3 mg As/L
7g[Escoria, Resina]/L, pH 10, [0.3 mgAs/L]o
1.02g[Nanopartículas A y B]/L, pH 8, [0.3 mgAs/L]o
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.125
0.150
0.175
0.200
0.225
0.250
1 2 3 4
Co
nce
ntr
ació
n r
esi
du
al d
e A
s [m
g/L]
Número de experimento
Escoria 3
Resina
Nanopartículas A
Nanopartículas B
y = capacidad de adsorción
NOM
OMS
RESULTADOS EXPERIMENTALES No. 2
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Escoria 3 Resina Nanop. A Nanop. B
y (mg/g) 0.041 0.042 0.29 0.29
RESULTADOS Mecanismo de remoción de arsénico por escorias y nanopartículas de hierro
Óxidos
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a) Determinación del balance de agua potable y para riego por región
Mapa 3. Tamaño del Mercado CONAGUA, 2010 16
TAMAÑO DEL MERCADO
b) Estimación de los niveles de contaminación del agua con arsénico
c) Localización de empresas siderometalúrgicas
As
As
As
As
As
As
As As
As
As
As As
As
Los resultados obtenidos constituyen la base para realizar una estimación de los costos totales de tratamiento, inversión, operación y mantenimiento de la planta paquete de la innovación tecnológica.
INFORMACIÓN FINACIERA
(PESOS MEXICANOS) PTcE PTcNP
Materia prima 265,882.26 1,145,047.80 Sueldos y salarios 816,132.00 816,12.00
Gastos de operación 693,778.16 693,778.16 TOTAL DE OPERACIÓN 1,775,792.42 1,838,825.96
Costo unitario 6.16 MX/m3 9.22 MX/m3
Ingreso unitario 7.16 MX/m3 10.22 MX/m3
Maquinaria y equipo 734,280.00
Capital de trabajo 450,403
TOTAL EN ACTIVOS FIJOS Y CAPITAL DE TRABAJO 1,184,683.00
COSTO DE LA INVESTIGACIÓN 549,570 Fuentes de financiamiento
Capital contable 520,957 (20%)
Pasivo 1,663,726 Tasa Interna de retorno 11%
Tasa de descuento 10% Valor presente neto 26,448.30
TIEMPO DE RECUPERACIÓN 5 años PTcE: Planta de tratamiento empleando escorias metalúrgicas
PTcNP: Planta de tratamiento empleando nanopartículas de hierro cerovalente
ESTUDIO ECONÓMICO
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SALUD PÚBLICA
Riesgos a la salud: -1:100 personas que beben agua con [0.05 mg/L], posiblemente contraerán cáncer - La proporción asciende a un 10% [0.5 mg/L]
País Habitantes
Argentina 1.2-2 millones
Chile 500 000
Perú 250 000
Bolivia 200 000
Asia 50 millones
México 6 millones
18 Henke, 2009; Smith et al., 2000
Población expuesta a [0.05 mgAs/L]
BENEFICIOS ESPERADOS
As
Daño al feto
Sistema inmunológico
Diabetes
Cáncer (piel, hígado, pulmón, vejiga)
Arsenicismo
ÁMBITO AMBIENTAL
Escorias metalúrgicas de hierro y acero
BENEFICIOS ESPERADOS
Disposición
Menor volumen, menos sitios
afectados
Menor impacto ambiental
Aplicación
como adsorbente
Tratamiento de diversos tipos de
agua
Fuentes alternativas de
agua
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ASPECTOS ECONÓMICOS
BENEFICIOS ESPERADOS
Reutilización de escorias de hierro y acero
• Adsorbente económico y eficiente
• Menores costos
De producción y de distribución
Sector social
• Siderometalúrgicas
• Operadora de planta paquete
Sector Empresarial
• Disminución de número de enfermos
Sector gubernamental
20
PRODUCTOS OBTENIDOS
Solicitud de registro de patente ante el IMPI
Premio León Bialik a la innovación tecnológica
Tesis de doctorado
Artículo enviado a evaluación a revista internacional indexada
Tres ponencias y artículos in extenso en congresos internacionales
Proyecto CONACYT-OSEO para transferencia tecnológica o licenciamiento de la patente
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Rosa María Ramírez Zamora
Universidad Nacional Autónoma de México
Instituto de Ingeniería
Coordinación de Ingeniería Ambiental