Formación de ingenieros para la innovación y el cuidado del medio ambiente: tratamiento de efluentes de cromo en la universidad

Transcripción

1 Formación de ingenieros para la innovación y el cuidado del medio ambiente: tratamiento de efluentes de cromo en la universidad Martinez, Juan José 1(*) ; Rodríguez, Martín 1 ; Campetella Mayoral, Carla 1 ; Bertini, Liliana María Instituto Tecnológico de Buenos Aires (*) Argentina Introducción y Objetivos El objetivo de este trabajo es mostrar la experiencia realizada con alumnos de la carrera de ingeniería química quienes, a partir de un efluente o residuo acuoso conteniendo principalmente cromo y generado en los laboratorios de enseñanza de química, desarrollaron un tratamiento para minimizar su impacto ambiental conjuntamente con el diseño y optimización de una planta piloto de tratamiento físicoquímico. Toda actividad humana genera residuos que impactan o pueden impactar negativamente sobre el ambiente. Parte de estos residuos son considerados peligrosos ya que pueden causar daño directa o indirectamente en los seres vivos y el medioambiente en general. Los generadores de los mismos tienen la responsabilidad de realizar las acciones necesarias para mitigar su nocividad. Dentro de los generadores institucionales se encuentran las universidades, y especialmente las que poseen carreras técnicas tienen laboratorios de enseñanza de la química que generan residuos. La química como ciencia básica presenta amplias posibilidades de estimulación de la actividad cognitiva de los estudiantes de ingeniería especialmente en los primeros años de su carrera. En este trabajo se presenta una experiencia realizada con alumnos de cuarto año de la carrera de ingeniería química quienes, a partir de un efluente o residuo acuoso conteniendo principalmente cromo y generado en los laboratorios de enseñanza de química, desarrollaron un tratamiento para minimizar su impacto ambiental (1). La actividad consistió en optimizar un proceso de tratamiento de dicho efluente ya existente, para lograr los niveles de vuelco permitidos según legislación vigente (Resolución 336/03, Provincia de Buenos Aires) y aplicar así dichas modificaciones en una planta piloto de tratamiento fisicoquímico existente en la universidad. 1

2 El procedimiento de tratamiento del efluente de Cr (VI) a optimizar consistía en una reducción del Cr (VI) a Cr (III) en medio ácido por medio de una mezcla de alcoholes en solución acuosa (también obtenidos como residuos del laboratorio), una precipitación de Cr(OH) 3 por medio de una alcalinización con NaOH a ph 8, seguido finalmente de una coagulación del precipitado obtenido y su separación por decantación. El contenido de Cr en este sobrenadante superaba el nivel de vuelco de 2 ppm (2,53 a 21, ppm). También el valor de Demanda química de Oxígeno (DQO) (de mg/l a mg/l) estaba por encima de los valores máximos permitidos de vuelco en cloaca de 700 mg/l. El objetivo del trabajo fue, entonces, encontrar un tratamiento adicional que redujera estos niveles de DQO y la concentración de cromo en el sobrenadante final del proceso descripto anteriormente, así como también lograr una buena coagulación de lodos y un acondicionamiento de los mismos para poder establecer una reutilización. Materiales y Métodos Todas las drogas utilizadas en el trabajo fueron de grado analítico (NaOH, H 2 SO 4, FeSO 4 7H 2 O, H 2 O 2 ). Las determinaciones de DQO fueron realizadas mediante kit de análisis método Hach N 8000 COD USEPA con método en reactor de digestión DRB 200 y espectrofotómetro Hach DR Las mediciones de carbono orgánico total (TOC) se realizaron con el equipo SHIMADZU TOC-V CPH Total Organic Carbon Analizer mediante método convencional de oxidación por combustión catalítica. Se ensayaron distintas metodologías para reducir la DQO: degradación catalítica con MnO 2 y con TiO 2, degradación Fenton (H 2 O 2 30 %, Fe 2+, ph: 2). Para este último ensayo además se coprecipitó Fe(OH) 3 con Cr(OH) 3 formado con Cr(III) residual en solución, por aumento de ph a 9 con NaOH. Para determinar los valores óptimos de concentración de reactivos, se realizaron ensayos a concentración fija de H 2 O 2 (2,55 M) variando la concentración de Fe 2+ (0,0025 M a 0,027 M) y a concentración fija de Fe 2+ (0,027 M) variando la concentración de H 2 O 2 (0,2 M a 0,55 M). Se controló la temperatura con un baño de 2

3 agua y hielo para no producir salpicadura y efervescencia. Se mantuvo también el ph en el valor óptimo (ph = 2,7) según la bibliografía (2) con agregado de H 2 SO 4. Siendo aún alta la DQO de este sobrenadante para su vuelco (límite de DQO permitido 700 mg/l en descarga cloacal), se realizó un ensayo de toxicidad biológica para estimar la posibilidad de agregar un tratamiento biológico (proceso de barros activados) al tratamiento fisicoquímico ya considerado. Este ensayo permite estudiar los efectos inhibitorios del sobrenadante sobre la tasa de crecimiento de los microorganismos típicos presentes en una planta de tratamiento de este tipo. A partir de este estudio se determinaron las concentraciones máximas admisibles para el tratamiento con un proceso por barros activados Por otro lado, para el acondicionamiento de los lodos de Cr(OH) 3 se realizaron ensayos de sedimentación con agregado de distintos sustancias floculantes para mejorar las características del lodo (velocidad de sedimentación e índice volumétrico de lodos). Los lodos, así obtenidos, se calcinaron en mufla a 450 C para su deshidratación y eliminación de materia orgánica. Seguidamente fueron lavados con H 2 O desionizada y calcinados por segunda vez. El sólido obtenido fue analizado por Difracción de rayos X (DRX) en un equipo Phillips PW Finalmente se hicieron pruebas de inmovilización y lixiviación (método EPA N 1311 TCLP -Toxicity Characteristc Leaching Procedure) de distintas masas de sólido en matriz de cemento con y sin sellado de pintura impermeabilizante, con el fin de evaluar la posible reutilización como material de construcción o cerámico. Resultados Primeramente, en el ensayo de las distintas vías para disminuir carga orgánica se halló que en la oxidación Fenton se obtuvieron los valores de DQO más bajos (12000 mg/l) así como los de Cr (menor al límite de detección LD: 0,0054 ppm). Ver Tabla 1 en Anexo. La temperatura óptima para el ensayo de Fenton se fijó en 25º C ya que se observó que a esa temperatura se evitan salpicaduras y efervescencia. Los Gráficos 1 y 2 (ver Anexo) muestran los resultados obtenidos en el valor de DQO a las distintas concentraciones de H 2 O 2 y Fe 2+ donde se pueden determinar las concentraciones de hierro y agua oxigenada por encima de las cuales no se obtiene mayor variación en la 3

4 depuración del efluente (disminución de DQO). Estas concentraciones son las consideradas óptimas de tratamiento. El Gráfico 3 (Anexo) muestra los ensayos de biotoxicidad donde se midió la variación de consumo de oxígeno con el tiempo. Se puede observar que a mayor contenido o concentración del efluente hay un, menor consumo de oxígeno lo que indica una menor cantidad de microorganismos vivos y por ende la inhibición. En el Gráfico 4 (Anexo)se observa el porcentaje de inhibición de los microorganismos en función de la cantidad de efluente utilizado. De acuerdo a estos datos se puede concluir que se alcanza una inhibición del 40 % al agregar 10 ml del efluente que corresponde a un 5% del volumen total. Lo cual indica una alta toxicidad del efluente sobre los lodos activados. Respecto al ensayo de floculación, se observa que el uso de PEG 4000 y otros floculantes mejora la consistencia del sólido respecto del control. Por otro lado, se verifica que el uso de una sustancia altamente higroscópica como lo es la caseína, empeora la calidad del sólido (Gráfico 5, Anexo). Esto permite apreciar que la incorporación de agua de hidratación es un factor que influye en la precipitación. En la Tabla 2 (Anexo) se encuentran detallados los parámetros de los ensayos de lixiviación. Se puede observar que efectivamente el contenido de Cromo en los blancos es nulo. Además, en los ensayos a distintos ph ácidos con pintura se ve que la concentración de cromo es del orden de diez veces menor a los ensayos sin la pintura protectora. En estos casos se detectó que la concentración es menor que el límite permitido para este protocolo de análisis (ver Gráfico 6, Anexo)), por lo que la inmovilización en matriz de cemento con recubrimiento es una buena opción para disponer del sólido residual con mínimo impacto ambiental. Conclusiones El trabajo aquí expuesto evidenció la necesidad de incluir nuevos procesos de tratamiento a la planta piloto inicial: oxidación catalítica de materia orgánica (Fenton), floculación/sedimentación y tratamiento biológico. En el caso de este último, aún se está trabajando en la aclimatación de los organismos al inhibitorio medio resultante del tratamiento del residuo de Cr. 4

5 En cuanto a la floculación/sedimentación, se comprobó que el agregado de floculantes ayuda a obtener un barro de hidróxido de cromo de mejor consistencia, favoreciendo la posterior separación y secado del mismo. Seguidamente se podría someter al óxido resultante a una inmovilización en matriz de cemento con recubrimiento de pintura, quedando como vía factible de reutilización del residuo. Finalmente, con el rediseño de la planta se espera optimizar su operación y aumentar su eficiencia como método para minimizar volúmenes de residuos peligrosos. Al ser construida íntegramente por alumnos y para el tratamiento de sus residuos de laboratorio, podrá servir de modelo en su tipo para la transferencia a otras universidades del país. Esta experiencia implicó una estrecha vinculación de los estudiantes con una problemática real sobre la minimización de residuos de cromo. El aprendizaje que obtuvieron al plantearse y desarrollar las distintas alternativas de tratamiento contribuye a la formación de profesionales reflexivos y capaces de resolver situaciones problemáticas aplicables a su futura vida profesional. Referencias Bibliográficas 1. BERTINI, Liliana María (2012): Gestión de Residuos en laboratorios universitarios. La Educación Ambiental y la Gestión de Residuos en Laboratorios de Enseñanza de la Química en Entidades Universitarias.- Editorial Académica Española 2. JURADO, José Blanco (2009). Degradación de un efluente textil real mediante procesos Fenton y Foto-Fenton Disponible en: 5

6 Anexos Tabla 1 Comparación vías de reducción de contenido de materia orgánica MÉTODO Catálisis oxidativa MnO 2 + O 2 Catálisis oxidativa TiO 2 + O 2 Reacción de Fenton DQO inicial (mg O 2 /L) DQO final (mg O 2 /L) % de reducción DQO 39,29% 49,57% 91,43% Gráfico 1: Ensayo Fenton: Determinaciones de DQO a una concentración fija de Fe 2+ (0,027 M ) variando las concentraciones de H 2 H 2 Gráfico 2: Ensayo Fenton : Determinaciones de DQO a una concentración fija de H 2 O 2 (2,55 M ) variando las concentraciones de Fe 2+ 6

7 Volumen de barro (ml) Porcentaje de inhibicion Formación de ingenieros para la innovación y el cuidado del medio ambiente: tratamiento de mg. O2/ml y = -0,6071x + 6,1132 R² = 0,9998 Biotoxicidad y = -0,1339x + 8,0826 R² = 0,9994 y = -0,3436x + 7,986 R² = 0,9992 y = -0,5452x + 6,5944 R² = 0, Blanco Muestra 1 (+1 ml de ef. II) Tiempo (min) Gráfico 3 Ensayo de biotoxicidad: medición de consumo de oxígeno en el tiempo Inhibición de lodos activados y = 17,119ln(x) + 8,3858 R² = 0, ml de efluente II Gráfico 4 Ensayo de biotoxicidad: inhibición de lodos activados Floculantes Masa floculante : 0,2 g cada 100 ml de lodo NaCl PEG PEG 4000 PVPP Tiempo 6 (días) Gráfico 5 Ensayo de sedimentación con distintos floculantes 7

8 ppm de Cromo total Formación de ingenieros para la innovación y el cuidado del medio ambiente: tratamiento de Tabla 2 Ensayo de lixiviación para sólido seco (87 % Cr 2 O 3 ) inmovilizado en matriz de cemento ph Composición Descripción Peso sin pintura (g) Peso con pintura (g) Vol. solución agregado (ml) Cr (ppm) 3,00 Blanco (60 g cemento) 25,78 - < 0,054 3,00 Blanco 31,89 33,48 < 0,054 5,04 Blanco 29,58 - < 0,054 5,04 Blanco 33,00 35,13 < 0,054 5,04 60 g cemento + 9 g Cr2O3 33, ,2600 8, ,2835 3,00 60 g cemento + 9 g Cr2O3 41,54 44,45 0,1123 3,00 60 g cemento + 9 g Cr2O3 43,01-11,5189 5,04 60 g cemento + 9 g Cr2O3 31,81 34,08 1, Sin Pintura Con Pintura Limite Permitido Gráfico 6 Cr total resultante inmovilización en cemento con y sin pintura 8