La Zeolita Aplicada A La Purificación Del Agua 2vi3x

Universidad Autónoma del Carmen.

Esc. Prep. Manuel J. García Pinto. Campus Sabancuy. Metodología De la Investigación II. Secuencia 1 La Zeolita Aplicada a la Purificación del Agua. Alumno: Jose Enrique Herrera May. 6°”A” Profesor: Pastor Alejandro May López. Fecha de entrega: 06/ Marz0/ 2014.

Justificación

El agua es imprescindible para la vida. La necesitan tanto en animales y plantas así como el hombre en la agricultura, la ganadería, la industria o la generación de energía. En el hombre constituye el 70% del cuerpo y la utiliza todos los días para satisfacerlas necesidades fundamentales. Por eso es que he decidido investigar mas a fondo la purificación del agua a traves de la zeolita ya que se ha sobreexplotado los recintos acuíferos para uso doméstico e industrial ha deteriorado la disponibilidad del recurso por lo que es necesario pensar rápidamente como tener otras formas de obtener agua pura que pueda ser utilizada para la utilización humana y que no dañe a organismo. En este proyecto se tratara de describir el proceso de la purificacion del agua ya que este metodo podria ser muy innovador e implementarlo en cada una de las empresas para obtener su propia agua purificada y para brindar ayuda a paises que estan escasos de aguas y necesitan ayuda. Yo quiero investigar este tema por que es un tema innovador ademas de que se habla muy poco del tema, yo creo que este proceso en un futuro nos servira de mucha ayuda ya que cada vez mas hay mas aguas negras y menos agua pura además de aumentar el porcentaje de población. Además lo que me llamo mas la atención es que este mineral “Zeolita”ademas de utilizarlo como filtro tiene multiples utilizaciones como alimentación de ganado que hace que aproveche mejor el alimento que seria una buena implementación hacia al ganado ya que beneficiaria a la engorda de ganado ademas de que este mineral tiene un bajo precio.

Objetivos Generales: 

Debido al problema actual que tiene el mundo con las aguas negras y los escases de agua, decidí que mi objetivo general es la de investigar todo el proceso que lleva a cabo las aguas negras para llevar a cabo la purificación del agua.

Objetivos Específicos:    

La obtención de la zeolita. Investigar las diferentes aplicaciones de la zeolita a grandes rasgos. Buscar el proceso que lleva a cabo la Zeolita en las aguas negras para llegar a la purificación del agua. Cuanto es el porcentaje se lleva a cabo la purificación de las aguas negras.

Planteamiento del Problema: Actualmente se está hablando de un mineral que puede ser utilizado como purificador de agua al ver un grave problema que es la escases de agua en algunos países he decidido investigar, Historia de la zeolita, Propiedades de este mineral que hace que se pueda purificar el agua y el más importante el Proceso de la zeolita aplicada a la purificación del agua, pero más este último tema que es de mucha relevancia para mi informarme los pasos a seguir para la purificación y así poder conocer más a fondo este tema.

Marco Teórico

Concepto de la Zeolita: La zeolita agrupa un conjunto de materiales microporosos abiertos, donde el diámetro del microporo puede oscilar entre 2 y 20 Å. Este sistema de microporos le confiere a los materiales zeolíticos excelentes propiedades, pues permite la transferencia de materia entre el espacio intra-cristalino y el medio que lo rodea. La regularidad, en cuanto a la forma y el tamaño, en el sistema de canales y cavidades interconectadas, justifica la mayoría de las aplicaciones de estos materiales como "tamices moleculares", pero además de esta función, las zeolitas pueden emplearse en los procesos de separación de gases y catálisis heterogénea. El enrejado tridimensional de las zeolitas está compuesto por tetraedros de SiO 2 y Al2O3 enlazados entre sí, de un modo tal, que comparten sus oxígenos. Como resultado de las diferencias entre las cargas del silicio (Si: 4+) y el aluminio (Al: 3+), se genera por cada átomo de aluminio una carga negativa en exceso, que es neutralizada por los cationes de compensación para mantener la neutralidad eléctrica de la red cristalina. Este tipo de estructura microporosa hace que las zeolitas presenten una superficie interna extremadamente grande en relación con la superficie externa de sus cristales; esa misma estructura se puede llenar físicamente de gases y agua, confiriéndole la propiedad adsorbente a las zeolitas. El agua puede ser eliminada, en principio, sin que la red cristalina se destruya. Sin embargo, a diferencia del agua, los cationes no tienen la libertad de abandonar los cristales a menos que se les sustituya por su equivalente electroquímico, ya que es necesario neutralizar la carga aniónica de la red; a esto se debe la propiedad de intercambio iónico de las zeolitas. Las zeolitas pueden interactuar con los iones de hidrógeno o de hidroxilo presentes en la solución y como consecuencia, pueden ocurrir ciertos fenómenos físico-químicos tales como: adsorción, hidrólisis de los sólidos, degradación, reacción buffer, disolución, e incluso transformación de fase. Como sólidos porosos con una importante superficie interna, ofrecen la posibilidad de incorporar

y adsorber moléculas o iones en su enrejado abierto y sobre su superficie. La presencia de surfactantes sobre su superficie externa induce e incrementa la coadsorción de diferentes moléculas orgánicas.

Historia de la Zeolita: Siendo México un país en donde hay numerosas zonas volcánicas, es de esperarse que haya zeolitas naturales. Sin embargo, no es sino hasta 1973 cuando F.F. Mumpton publica en la revista American Mineralogist, 28,287 (1973) un artículo que titula "First Reported Occurrence of Zeolites in Sedimentary Rocks of Mexico" (Primer informe sobre la presencia de zeolitas en rocas sedimentarias de México). De ese trabajo transcribimos los siguientes párrafos pues preferimos que sea el mismo Mumpton quien describa el descubrimiento: Durante las primeras etapas de la exploración para encontrar zeolitas en este país [se refiere a EUA] (1958-1962), la similitud geológica de las regiones volcánicas y piroclásticas entre el norte de México y el sur de Arizona y California sugería que deberían existir yacimientos de zeolitas al sur de la frontera; sin embargo, no se hizo ningún esfuerzo por probar esta posibilidad, y hasta la fecha no se ha informado de minerales zeolíticos en las rocas sedimentarias de México. Durante el verano de 1972 el autor examinó una serie de sedimentos piroclásticos del valle del río Atoyac, alrededor de 15 km al noroeste de Oaxaca, en el sur de México. Aunque límites de tiempo impidieron una exploración extensiva del área, se recogieron varias muestras de un prominente yacimiento verde, situado como a unos 100 m al este de la supercarretera 190, a 3 km al norte del pueblo de Etla. Exámenes subsecuentes por difracción de rayos X* de estas muestras indicaron que el yacimiento está constituido casi únicamente por zeolitas, mordenita y clinoptilolita. Esta identificación confirma lo que se cree ser el primer descubrimiento de zeolitas minerales en rocas sedimentarias de México.

Figura 12. Yacimientos de zeolitas en la zona de Etla, Oaxaca (1978).

Figura 13. Yacimientos de zeolitas en la República Mexicana. Mumpton describe el yacimiento y hace notar que este tipo de piedra se usa en Oaxaca

En la figura 12 presentamos la geografía de la zona. Este mismo yacimiento es el que Liberto de Pablo incluye en el mapa que reproducimos, simplificado, de su sobretiro "The clay deposits of Mexico" (Yacimientos de arcillas en México), trabajo presentado en la Conferencia Internacional de Arcillas en 1978. Cinco años

después del hallazgo de Mumpton ya figura, no sólo el yacimiento de Etla, sino que también el de Ixtlán de los Hervores (Figura 13). Y en 1987 se han reportado dos nuevos yacimientos, esta vez en el estado de Sonora, uno rico en clinoptilolita en el municipio de Rayón y el otro conteniendo erionita en el municipio de Agua Prieta.

Tratamiento de aguas residuales La mayoría de las ciudades tratan el agua residual recogida a traves de la red de alcantarillado antes de que sea vertida a un caudal próximo de aguas naturales. El agua de lluvia y nieve se recoge separadamente y, supuesto que no está muy contaminada, se vierte directamente a los cauces naturales. Un agua residual contiene fundamentalmente materia orgánica, aparte de numerosos objetos que la gente suele verter a los desagües. Así pues tenemos un 'particulado' diverso, lo que nos obliga a establecer diferentes actuaciones sobre el agua.

En la etapa de tratamiento primario (o mecánico), las partículas mayores (incluyendo la arena y el limo) se eliminan haciendo que el agua fluya a traves de pozos donde van a ir depositándose lentamente en forma de lodos. Por otro lado, otra capa menos densa que el agua, formada por ceras, aceites, grasas y espumas (formadas por la reacción entre los jabones con el calcio y el magnesio) se retira de forma mecánica. A traves de este tratamiento se elimina un 30% de la demanda bioquímica de oxígeno y eso que es solo un tratamiento mecánico del agua donde no se ejecuta ninguna acción química o biológica. El agua resultante tiene aún un valor de DBO muy elevado (varios cientos de miligramos por litro), y es muy nociva para los peces si se vierte directamente en esta etapa. Es por ello que es necesario una etapa de tratamiento secundario (o biológico), donde la mayor parte de la materia orgánica disuelta y suspendida en el

agua se oxida biológicamente (formándose CO2 y H2O, y algo de NO 3‒ debido a la nitrificación) de forma rápida en reactores especiales por medio de ciertas bacterias aeróbicas que se mantienen en un sistema bien aireado para facilitar la oxidación. En esta etapa se generan nuevos lodos que se depositan en lechos destinados a tal fin, y el valor de DBO desciende a menos de 100 mg/L, que supone, aproximadamente, un 10% del agua original no tratada, de forma que, diluida ya en el medio natural podría ser factible la sostenibilidad de la vida acuática. Algunos municipios desinfectan adicionalmente esta agua por irradiación UV o por cloración. La cloración en esta etapa está muy desaconsejada ya que la carga orgánica que aun lleva el agua es suficiente para generar gran número de mutagenos clorados que pueden afectar a los seres vivos dependientes de dicha agua. Los lodos generados en ambos tratamientos consisten fundamentalmente en agua y materia orgánica, de forma que pueden ser digeridos anaeróbicamente en un proceso que tarda varias semanas. El lodo resultante es a veces incinerado, depositado en vertederos o arrojado al mar. Una vía alternativa para estos lodos cargados de nutrientes es su uso como fertilizantes; el problema es que contienen metales pesados y otras sustancias toxicas.

Desalinización La descomposición de las sustancias orgánicas y biológicas durante el tratamiento secundario de un agua residual lleva asociada la producción de gran cantidad de sales inorgánicas. Esto plantea serios problemas relativos a los efluentes de las plantas de tratamiento, no solo porque pueden ocasionar problemas en los ecosistemas acuáticos sino también por ser aguas que pueden ser eventualmente usadas en irrigación obligando a retirar parte de estas sales para garantizar una cierta calidad en el agua de salida. Para ello existen diferentes técnicas: 1. Ósmosis inversa: El agua es forzada, bajo presión, a atravesar una membrana por donde los iones no pueden difundir. Este tipo de membranas se denominan semipermeables, y están constituidas de acetato de celulosa o triacetato de celulosa. La capa superficial de la membrana tiene un espesor de unos 0,2 μm y es relativamente poco porosa. De esta forma se pueden retirar adicionalmente las sales de metales pesados. Esta técnica se utiliza en algunos lugares (Israel) para producir agua de consumo a partir del agua de mar, y en unidades renales para producir agua pura.

2. Electrodiálisis: En esta técnica, similar a la anterior, se utilizan un conjunto de membranas semipermeables al otro lado de las cuales se colocan electrodos sobre los que se aplica una diferencia de potencial. De esta forma, los cationes migran hacia el cátodo (acompañados de sus contraiones anionicos) y los aniones hacia el ánodo (acompañados de sus contraiones catiónicos), retirándose del agua al atravesar las membranas oportunamente dispuestas. De esta forma, también se puede obtener agua de consumo a partir de agua de mar, aunque no tan pura.

3. Intercambio iónico: Algunos solidos poliméricos (denominados resinas) son capaces de retener cationes, de forma que un determinado tipo de ion puede intercambiarse por otro que pase por las inmediaciones. Este intercambio puede ser catiónico o anionico, dependiendo de la composición de la resina. Los sitios de intercambio de una resina catiónica en ciclo ácido están ocupados inicialmente por H+, mientras que los de una aniónica por OH‒. Cuando el agua contaminada por iones M+ y X‒ pasan secuencialmente a traves de dos resinas, una catiónica y otra aniónica, los iones H+ se reemplazan, primero, por M+ y, posteriormente, los OH‒ son reemplazados por las especies X‒. Esto lleva finalmente a retirar las sales del agua original (incluidas sales de metales pesados), generando más agua por combinación de los H+ y OH‒ generados tras el acoplamiento de ambos procesos.

Pocos municipios emplean el tratamiento terciario (o químico) como disposición ultima para las aguas residuales. Este tratamiento difiere según las localidades, pero puede incluir alguno de los siguientes procesos: a) Reducción de la DBO por eliminación de la mayor parte de la materia coloidal utilizando una sal de aluminio en un proceso en el que se genera Al (OH)3 y operando de la misma forma que ya se vio para la purificación del agua subterránea. b) Eliminación de los compuestos orgánicos disueltos (incluyendo el cloroformo) y algunos metales pesados por adsorción sobre carbón activo. c) Eliminación del fosfato por medio de la adición de cal, Ca (OH) 2, en forma de hidróxido, formándose así precipitados insolubles de fosfatos de calcio, tales como Ca3 (PO4)2 y Ca5 (PO4)3OH, que pueden eliminarse fácilmente. Una parte del fosforo ya ha sido eliminado en el tratamiento secundario ya que los microorganismos lo han metabolizado para su propio crecimiento.

d) Eliminación de los metales pesados por adición de iones hidróxido o sulfuro al formarse las correspondientes especies insolubles. e) Eliminación del hierro por aireación a elevado pH para oxidarlo a su estado de Fe3+ insoluble en combinación con el uso de un agente oxidante fuerte para destruir los ligandos orgánicos que se encuentren quelatando al Fe 2+, ya que los quelatos son más resistentes a la oxidación que el catión libre (forma acuosa). En algunas aguas residuales se estima necesario la posterior eliminación de compuestos de nitrógeno, generalmente amonio/amoniaco y compuestos orgánicos nitrogenados. La eliminación del amonio/amoniaco puede llevarse a cabo aumentando el pH hasta 11 (con cal), para convertir la forma amónica NH 4+ en amoniaco NH3, seguido de un burbujeo con aire para arrastrar el amoniaco disuelto. Este proceso es relativamente caro ya que es muy intensivo desde el punto de vista energético. El ion amonio puede también eliminarse por intercambio iónico empleando resinas catiónicas cuyos sitios activos están ocupados inicialmente por sodio o calcio.

Alternativamente, tanto el nitrógeno orgánico como el amoniaco pueden eliminarse utilizando primero bacterias nitrificantes para oxidar todo el nitrógeno a nitrato.

Luego el nitrato se somete a desnitrificacion por medio de bacterias que lo convierten en nitrógeno molecular, el cual escapa del agua. Es evidente que un agua contaminada con ion nitrato puede ser tratada a traves de este último proceso para eliminarlo. Esta segunda etapa de reducción del nitrato requiere de una sustancia que se oxide, por lo que, si es necesario, se puede añadir metanol el cual se convierte a CO2 durante el proceso: En algunos casos, el agua saliente del tratamiento terciario es de suficiente calidad para usarse como agua de consumo. Incluso, esta agua vertida aguas arriba en un rio, puede utilizarse como agua de bebida aguas abajo tras el conveniente proceso de potabilización.

Alternativas a las plantas de tratamiento Una alternativa al procesado del agua residual a traves de plantas de tratamiento para pequeñas comunidades seria el tratamiento biológico en zonas pantanosas

artificiales, que contienen plantas como juncos, canas y nuez moscada. El agua es sometida a un tratamiento primario y posteriormente es conducida a una laguna donde tiene lugar el equivalente a los tratamientos secundario y terciario. La descontaminación del agua se lleva a cabo por la acción de bacterias y otros microorganismos presentes en las raíces de las plantas y rizomas. Estas plantas también absorben metales y aumentan el pH del agua, destruyendo así otros microorganismos nocivos. Mediante esta técnica, se generan menos lodos, se evita el uso de productos químicos y se requiere el uso de mucha menos energía. Entre los problemas relacionados con estas instalaciones destaca la presencia de vegetación en descomposición, la cual debe de ser eliminada para que no aumente mucho el valor de DBO, junto con el hecho de la necesidad de amplias superficies de terreno y tiempos de procesado relativamente largos. En muchas comunidades rurales se utilizan fosas sépticas para descomponer el agua residual, ya que las plantas de tratamiento no son factibles. Estos tanques de cemento subterráneos reciben el agua residual a menudo de una sola casa. Aunque los sólidos sedimentan en el tanque, los aceites y grasas flotan, por lo que se extraen periódicamente. Las bacterias del agua residual se alimentan en el lodo del fondo. Una parte del agua purificada fluye fuera de la fosa hacia la zona exterior subterránea donde tiene lugar una posterior descontaminación. El sistema es bastante pasivo y se requieren tiempos largos para que el proceso tenga lugar. Además, el nitrato que se genera no puede reducirse por lo que pueden existir problemas de contaminación del agua subterránea por nitratos.

Potabilización de agua Las zeolitas naturales tienen una excelente capacidad de intercambio iónico y de recuperación de cationes de metales pesados (Pb, Cu, Cd, Zn, Co, Cr, Mn y Fe; Pb, Cu tan alta como 97%) del agua potable y agua residual.

Uso de zeolita natural en filtros para piscinas La zeolita natural se considera un medio ideal de filtración de piscinas, y está empezando a sustituir la arena como mejor alternativa para esta aplicación. Debido a su estructura extremadamente porosa, la zeolita natural es mucho más densa que la arena y por lo tanto necesita menos cantidad de zeolita para obtener el mismo efecto. Dada la capacidad de intercambio iónico, la zeolita tiene una ventaja añadida que es la eliminación de contaminantes que los filtros de tierras de diatomeas no pueden eliminar, como el amoníaco en disolución.

Ventajas de la zeolita natural 

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Los filtros de arena eliminan partículas de un tamaño de hasta 40 micras. Los filtros de zeolita eliminan partículas de hasta 4 micras que equivalen a la capacidad de filtración de la tierra de diatomeas. Las zeolitas eliminan iones de amoníaco en disolución por intercambio iónico, cosa que no es posible con la arena ni con la tierra de diatomeas. El amoníaco en disolución reacciona con el cloro para formar cloraminas que causan irritación ocular y malos olores en agua de la piscina. Las zeolitas necesitan menos ciclos de lavado que los filtros de arena y los ciclos son más cortos, lo que puede reducir en un 30% la cantidad de agua necesaria para el mantenimiento de la piscina. Las zeolitas tienen una gran durabilidad y su vida útil es mucho más larga que la de la arena.

Resumiendo, las zeolitas naturales ofrecen una mejor calidad del agua, un mantenimiento más fácil y la reducción de la cantidad de agua necesaria. Las zeolitas ofrecen la utilidad de los filtros de tierras de diatomeas con la simplicidad de los filtros de arena, con la ventaja añadida de la eliminación del amoníaco. Las zeolitas podrían convertirse en el sistema de filtración para piscinas del siglo XXI.

Fuentes:

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