fotocatalisis heterogenea como alternativa para …
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FOTOCATALISIS HETEROGENEA COMO ALTERNATIVA PARA TRATAR
AGUAS CONTAMINADAS CON METOMIL EN EL MUNICIPIO DE URRAO
XIMENA MORENO SEPUacuteLVEDA
ANDRES FELIPE ZAPATA MUNtildeOZ
ASESORA
MOacuteNICA MARIacuteA MACHADA VARGAS
TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA
INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA
INGENIERIacuteA AMBIENTAL
URRAO ANTIOQUIA
2020
Contenido RESUMEN viii
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4
3 OBJETIVOS 6
31 Objetivo general 6
32 objetivos Especiacuteficos 6
4 RUTA METODOLOGICA 7
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten 7
5 CAPITULO l GENERALIDADES 9
51 Agua 9
511 Usos del agua 10
52 Contaminacioacuten de las aguas 10
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas 11
53 Plaguicidas 12
531 Componente de los plaguicidas 14
54 Insecticida Metomil 15
541 Afectaciones a la salud humana 18
542 Afectaciones a los ecosistemas 20
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA HACIENDO
EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA 23
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada 23
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada 24
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada 25
62 Fotocataacutelisis 33
621 Fotocatalisis Heterogenea 34
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS CULTIVOS DE AGUACATE
DEL MUNICIPIO DE URRAO 53
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea 54
8 DISCUSIOacuteN 61
9 CONCLUSIONES 63
10 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 65
INDICE DE TABLAS
Tabla 1Historia de los plaguidas Fuente(FAO 2017 12
Tabla 2Clasificacioacuten de los plaguicidas Fuente (Medina Flores 2019) 14
Tabla 3Propiedades fisicoquiacutemicas dl insectisida Metomil Fuente (EPA 2017) 16
Tabla 4Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017) 18
Tabla 5Impactos toxicologicoacutes del Metomil en animales Fuente (Saad et al 2017) 20
Tabla 6Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabanteet al 2014) 24
Tabla 7Ventajas y dsventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Fuente (Simorte2010) 25
Tabla 8Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (soliz 2016 25
Tabla 9Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio fuente
(elaboracioacuten propia) 27
Tabla 10Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (elaboracioacuten propia) 30
Tabla 11Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis herogeacutenea Fuente
(Arboleda 2016) 41
Tabla 12Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garcia 2016) 42
Tabla 13Ventajas y desventajas TIO2 Fuente (Vargas et al 2017) 43
Tabla 14Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en
el estudio
Fuente (Transito 2011) 51
Tabla 15Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente (Elaboracioacuten propia) 55
Tabla 16Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito
2011) 56
Tabla 17Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 18Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 19Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente (Transito 2011) 58
Tabla 20Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior Fuente (Elaboracioacuten propia) 59
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica fuente (Moreno et al 2018) 8
Figura 2 imagen del ciclo hidroloacutegico fuente (Acevedo 2016) 9
Figura 3 formula estructura del metomil fuente (Suni2019) 17
Figura 4 mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea fuente 35
Figura 5 formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (tio2) (Garciacutea 2016) 45
Figura 6 catalizador de forma fija y suspendida fuente (Arvizu 2017) 46
Figura 7 clasificacioacuten de los reactores fuente 47
Figura 8 reactor de placa plana o cascada fuente 49
Figura 9 reactor de plana hueca fuente (Traacutensito 2011) 49
Figura 10 reactor tubular fuente (traacutensito 2011) 50
figura 11 foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto fuente(transito 2011) 51
Figura 12 soporte para el reactor fuenteTtransito 2011) 52
Figura 13 aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
fuente(elaboracioacuten propia) 53
Figura 14 filtro cultivos de aguacate fuente(elaboracioacuten propia) 55
Figura 14 reactor fh-cpc-2x fabricado en el cie-unam fuente(Transito 2011) 56
Figura 16 esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea fuente(elaboracioacuten propia) 58
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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Contenido RESUMEN viii
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4
3 OBJETIVOS 6
31 Objetivo general 6
32 objetivos Especiacuteficos 6
4 RUTA METODOLOGICA 7
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten 7
5 CAPITULO l GENERALIDADES 9
51 Agua 9
511 Usos del agua 10
52 Contaminacioacuten de las aguas 10
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas 11
53 Plaguicidas 12
531 Componente de los plaguicidas 14
54 Insecticida Metomil 15
541 Afectaciones a la salud humana 18
542 Afectaciones a los ecosistemas 20
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA HACIENDO
EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA 23
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada 23
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada 24
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada 25
62 Fotocataacutelisis 33
621 Fotocatalisis Heterogenea 34
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS CULTIVOS DE AGUACATE
DEL MUNICIPIO DE URRAO 53
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea 54
8 DISCUSIOacuteN 61
9 CONCLUSIONES 63
10 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 65
INDICE DE TABLAS
Tabla 1Historia de los plaguidas Fuente(FAO 2017 12
Tabla 2Clasificacioacuten de los plaguicidas Fuente (Medina Flores 2019) 14
Tabla 3Propiedades fisicoquiacutemicas dl insectisida Metomil Fuente (EPA 2017) 16
Tabla 4Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017) 18
Tabla 5Impactos toxicologicoacutes del Metomil en animales Fuente (Saad et al 2017) 20
Tabla 6Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabanteet al 2014) 24
Tabla 7Ventajas y dsventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Fuente (Simorte2010) 25
Tabla 8Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (soliz 2016 25
Tabla 9Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio fuente
(elaboracioacuten propia) 27
Tabla 10Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (elaboracioacuten propia) 30
Tabla 11Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis herogeacutenea Fuente
(Arboleda 2016) 41
Tabla 12Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garcia 2016) 42
Tabla 13Ventajas y desventajas TIO2 Fuente (Vargas et al 2017) 43
Tabla 14Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en
el estudio
Fuente (Transito 2011) 51
Tabla 15Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente (Elaboracioacuten propia) 55
Tabla 16Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito
2011) 56
Tabla 17Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 18Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 19Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente (Transito 2011) 58
Tabla 20Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior Fuente (Elaboracioacuten propia) 59
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica fuente (Moreno et al 2018) 8
Figura 2 imagen del ciclo hidroloacutegico fuente (Acevedo 2016) 9
Figura 3 formula estructura del metomil fuente (Suni2019) 17
Figura 4 mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea fuente 35
Figura 5 formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (tio2) (Garciacutea 2016) 45
Figura 6 catalizador de forma fija y suspendida fuente (Arvizu 2017) 46
Figura 7 clasificacioacuten de los reactores fuente 47
Figura 8 reactor de placa plana o cascada fuente 49
Figura 9 reactor de plana hueca fuente (Traacutensito 2011) 49
Figura 10 reactor tubular fuente (traacutensito 2011) 50
figura 11 foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto fuente(transito 2011) 51
Figura 12 soporte para el reactor fuenteTtransito 2011) 52
Figura 13 aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
fuente(elaboracioacuten propia) 53
Figura 14 filtro cultivos de aguacate fuente(elaboracioacuten propia) 55
Figura 14 reactor fh-cpc-2x fabricado en el cie-unam fuente(Transito 2011) 56
Figura 16 esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea fuente(elaboracioacuten propia) 58
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS CULTIVOS DE AGUACATE
DEL MUNICIPIO DE URRAO 53
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea 54
8 DISCUSIOacuteN 61
9 CONCLUSIONES 63
10 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 65
INDICE DE TABLAS
Tabla 1Historia de los plaguidas Fuente(FAO 2017 12
Tabla 2Clasificacioacuten de los plaguicidas Fuente (Medina Flores 2019) 14
Tabla 3Propiedades fisicoquiacutemicas dl insectisida Metomil Fuente (EPA 2017) 16
Tabla 4Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017) 18
Tabla 5Impactos toxicologicoacutes del Metomil en animales Fuente (Saad et al 2017) 20
Tabla 6Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabanteet al 2014) 24
Tabla 7Ventajas y dsventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Fuente (Simorte2010) 25
Tabla 8Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (soliz 2016 25
Tabla 9Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio fuente
(elaboracioacuten propia) 27
Tabla 10Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (elaboracioacuten propia) 30
Tabla 11Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis herogeacutenea Fuente
(Arboleda 2016) 41
Tabla 12Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garcia 2016) 42
Tabla 13Ventajas y desventajas TIO2 Fuente (Vargas et al 2017) 43
Tabla 14Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en
el estudio
Fuente (Transito 2011) 51
Tabla 15Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente (Elaboracioacuten propia) 55
Tabla 16Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito
2011) 56
Tabla 17Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 18Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 19Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente (Transito 2011) 58
Tabla 20Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior Fuente (Elaboracioacuten propia) 59
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica fuente (Moreno et al 2018) 8
Figura 2 imagen del ciclo hidroloacutegico fuente (Acevedo 2016) 9
Figura 3 formula estructura del metomil fuente (Suni2019) 17
Figura 4 mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea fuente 35
Figura 5 formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (tio2) (Garciacutea 2016) 45
Figura 6 catalizador de forma fija y suspendida fuente (Arvizu 2017) 46
Figura 7 clasificacioacuten de los reactores fuente 47
Figura 8 reactor de placa plana o cascada fuente 49
Figura 9 reactor de plana hueca fuente (Traacutensito 2011) 49
Figura 10 reactor tubular fuente (traacutensito 2011) 50
figura 11 foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto fuente(transito 2011) 51
Figura 12 soporte para el reactor fuenteTtransito 2011) 52
Figura 13 aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
fuente(elaboracioacuten propia) 53
Figura 14 filtro cultivos de aguacate fuente(elaboracioacuten propia) 55
Figura 14 reactor fh-cpc-2x fabricado en el cie-unam fuente(Transito 2011) 56
Figura 16 esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea fuente(elaboracioacuten propia) 58
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1Historia de los plaguidas Fuente(FAO 2017 12
Tabla 2Clasificacioacuten de los plaguicidas Fuente (Medina Flores 2019) 14
Tabla 3Propiedades fisicoquiacutemicas dl insectisida Metomil Fuente (EPA 2017) 16
Tabla 4Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017) 18
Tabla 5Impactos toxicologicoacutes del Metomil en animales Fuente (Saad et al 2017) 20
Tabla 6Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabanteet al 2014) 24
Tabla 7Ventajas y dsventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Fuente (Simorte2010) 25
Tabla 8Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (soliz 2016 25
Tabla 9Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio fuente
(elaboracioacuten propia) 27
Tabla 10Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (elaboracioacuten propia) 30
Tabla 11Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis herogeacutenea Fuente
(Arboleda 2016) 41
Tabla 12Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garcia 2016) 42
Tabla 13Ventajas y desventajas TIO2 Fuente (Vargas et al 2017) 43
Tabla 14Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en
el estudio
Fuente (Transito 2011) 51
Tabla 15Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente (Elaboracioacuten propia) 55
Tabla 16Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito
2011) 56
Tabla 17Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 18Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 19Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente (Transito 2011) 58
Tabla 20Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior Fuente (Elaboracioacuten propia) 59
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica fuente (Moreno et al 2018) 8
Figura 2 imagen del ciclo hidroloacutegico fuente (Acevedo 2016) 9
Figura 3 formula estructura del metomil fuente (Suni2019) 17
Figura 4 mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea fuente 35
Figura 5 formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (tio2) (Garciacutea 2016) 45
Figura 6 catalizador de forma fija y suspendida fuente (Arvizu 2017) 46
Figura 7 clasificacioacuten de los reactores fuente 47
Figura 8 reactor de placa plana o cascada fuente 49
Figura 9 reactor de plana hueca fuente (Traacutensito 2011) 49
Figura 10 reactor tubular fuente (traacutensito 2011) 50
figura 11 foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto fuente(transito 2011) 51
Figura 12 soporte para el reactor fuenteTtransito 2011) 52
Figura 13 aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
fuente(elaboracioacuten propia) 53
Figura 14 filtro cultivos de aguacate fuente(elaboracioacuten propia) 55
Figura 14 reactor fh-cpc-2x fabricado en el cie-unam fuente(Transito 2011) 56
Figura 16 esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea fuente(elaboracioacuten propia) 58
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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Tabla 17Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 18Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriguez 2015) 57
Tabla 19Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente (Transito 2011) 58
Tabla 20Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior Fuente (Elaboracioacuten propia) 59
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica fuente (Moreno et al 2018) 8
Figura 2 imagen del ciclo hidroloacutegico fuente (Acevedo 2016) 9
Figura 3 formula estructura del metomil fuente (Suni2019) 17
Figura 4 mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea fuente 35
Figura 5 formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (tio2) (Garciacutea 2016) 45
Figura 6 catalizador de forma fija y suspendida fuente (Arvizu 2017) 46
Figura 7 clasificacioacuten de los reactores fuente 47
Figura 8 reactor de placa plana o cascada fuente 49
Figura 9 reactor de plana hueca fuente (Traacutensito 2011) 49
Figura 10 reactor tubular fuente (traacutensito 2011) 50
figura 11 foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto fuente(transito 2011) 51
Figura 12 soporte para el reactor fuenteTtransito 2011) 52
Figura 13 aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
fuente(elaboracioacuten propia) 53
Figura 14 filtro cultivos de aguacate fuente(elaboracioacuten propia) 55
Figura 14 reactor fh-cpc-2x fabricado en el cie-unam fuente(Transito 2011) 56
Figura 16 esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea fuente(elaboracioacuten propia) 58
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1 proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica fuente (Moreno et al 2018) 8
Figura 2 imagen del ciclo hidroloacutegico fuente (Acevedo 2016) 9
Figura 3 formula estructura del metomil fuente (Suni2019) 17
Figura 4 mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea fuente 35
Figura 5 formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (tio2) (Garciacutea 2016) 45
Figura 6 catalizador de forma fija y suspendida fuente (Arvizu 2017) 46
Figura 7 clasificacioacuten de los reactores fuente 47
Figura 8 reactor de placa plana o cascada fuente 49
Figura 9 reactor de plana hueca fuente (Traacutensito 2011) 49
Figura 10 reactor tubular fuente (traacutensito 2011) 50
figura 11 foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto fuente(transito 2011) 51
Figura 12 soporte para el reactor fuenteTtransito 2011) 52
Figura 13 aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
fuente(elaboracioacuten propia) 53
Figura 14 filtro cultivos de aguacate fuente(elaboracioacuten propia) 55
Figura 14 reactor fh-cpc-2x fabricado en el cie-unam fuente(Transito 2011) 56
Figura 16 esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea fuente(elaboracioacuten propia) 58
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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73
74
75
AGRADECIMIENTOS
A LA DOCENTE MOacuteNICA MARIacuteA MACHADO VARGAS por su orientacioacuten en el
desarrollo del trabajo por ser guiacutea fundamental en cada uno de las fases de la investigacioacuten
A LA INSTITUCIOacuteN UNIVERSITARIA TECNOLOacuteGICO DE ANTIOQUIA por ser
parte integral en el proceso de adquisicioacuten de conocimiento durante la carrera
A MIS FAMILIARES por el apoyo y la confianza que me fortalecieron para llevar a
cabo este proyecto
RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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RESUMEN
En la actualidad las actividades agriacutecolas constituyen una de las principales causas de
contaminacioacuten al medio ambiente debido a la utilizacioacuten de grandes cantidades de
pesticidas entre estos el insecticida Metomil el cual es uno de los maacutes utilizados en la
agricultura debido a su alta eficacia ya que actuacutea de forma sisteacutemica y es de amplio
espectro para las plagas que afectan la produccioacuten de los cultivos Por otro lado tambieacuten se
ha observado que afecta seriamente la salud de los seres humanos encontraacutendose residuos
de este pesticida en la sangre lo cual ocasiona un grave riesgo para el sistema nervioso ya
que inhibe la acetilcolinesterasa una enzima responsable del buen funcionamiento del
sistema nervioso lo que ocasiona en algunos casos la muerte o dejando secuelas a medio y
largo plazo en la salud de las personas Tambieacuten se ha evidenciado altas trazas de este
pesticida en fuentes de agua superficial y subterraacutenea Los sistemas de tratamientos de
aguas residuales convenciones no cuentan con la capacidad para eliminar la contaminacioacuten
ocasionada por el Metomil debido a lo complejo que resulta ser la degradacioacuten del
contaminante por su persistencia en el agua por lo que se deben de aplicar tratamientos
terciarios para tratar el agua contaminada con Metomil Por lo anterior el propoacutesito de este
trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre las afectaciones del insecticida Metomil
a los ecosistemas y a la salud de las personas tambieacuten investigar sobre los procesos de
oxidacioacuten avanzada en especial la fotocataacutelisis heterogeacutenea para plantear una alternativa
que utilice el principio de este tratamiento mediante un reactor tubular con dioacutexido de
titanio inmovilizado que emplee la luz ultravioleta para degradar el contaminante
permitiendo de esta manera tratar las aguas contaminadas con Metomil
Palabras claves Contaminacioacuten dantildeos a la salud catalizador insecticida toxicidad
ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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ABSTRACT
Currently agricultural activities are one of the main causes of environmental
contamination due to the use of large quantities of pesticides among them the insecticide
Metomil which is one of the most widely used in agriculture due to its high efficiency
since it acts systemically and is broad-spectrum for pests that affect crop production On the
other hand it has also been observed that it seriously affects the health of human beings
finding residues of this pesticide in the blood which causes a serious risk to the nervous
system since it inhibits acetylcholinesterase an enzyme responsible for proper functioning
of the nervous system which in some cases causes death or leaves medium and long-term
consequences on peoples health High traces of this pesticide have also been evidenced in
surface and ground water sources Conventional wastewater treatment systems do not have
the capacity to eliminate the contamination caused by Metomil due to the complex
degradation of the contaminant due to its persistence in the water which is why tertiary
treatments must be applied to treat Metomil-contaminated water Therefore the purpose of
this work was to carry out a literature review on the effects of the Metomil insecticide on
ecosystems and human health as well as to investigate advanced oxidation processes
especially heterogeneous photocatalysis to propose an alternative that use the principle of
this treatment using a tubular reactor with immobilized titanium dioxide that uses
ultraviolet light to degrade the contaminant
Key words Pollution health damage catalyst insecticide toxicity
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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1 INTRODUCCIOacuteN
La contaminacioacuten del recurso hiacutedrico es un factor muy importante a tener en cuenta
en la actualidad ya cada vez es maacutes la cantidad de fuentes hiacutedricas que se ven expuestas a
contaminacioacuten por parte de las actividades agriacutecolas (Agrawal et al 2010)
Se sabe que gran parte de los asentamientos humanos no tienen acceso al agua potable
para consumo y deben abastecerse de fuentes bioloacutegicamente no seguras (Rock amp Rivera
2014) Por lo tanto se hace necesario crear alternativas de tratamiento de aguas
contaminadas con agroquiacutemicos que permitan reducir los riesgos a la salud humana y a los
ecosistemas (Pulgariacuten et al 2018) En el desarrollo de las actividades agriacutecolas se emplean
productos quiacutemicos los cuales se acumulan y se transportan con facilidad en aguas
superficiales y subterraacuteneas estos se encuentran en pequentildeas concentraciones pero debido
a su alta toxicidad causan impactos negativos a la salud humana y al medio ambiente
(Fernaacutendez et al 2010) Por tanto es necesario buscar una solucioacuten alternativa a esta
problemaacutetica En la actualidad se han realizado varios avances sobre los diferentes
meacutetodos analiacuteticos que permitan realizar la adecuada deteccioacuten de residuos de plaguicidas y
sus concentraciones en el agua (Medina 2019) En Colombia seguacuten la FAO en el anaacutelisis
sectorial de economiacutea realizado en el antildeo 2017 la actividad agriacutecola se encuentra en
crecimiento y su alta productividad en los cultivos se debe a la utilizacioacuten de insumos de
agroquiacutemicos los cuales mejoran la rentabilidad y productividad (FAO 2017) Sin
embargo la aplicacioacuten de estos agroquiacutemicos genera afectaciones al suelo ya que aporta
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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Torices D P (2018) Procesos de oxidacioacuten avanzada avances recientes y tendencias
futuras Cantabria Escuela Teacutecnica Superior de ingenieros
Traacutensito I S (2011) Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de una planta solar de
degradacioacuten fotocatalitica de aguas contaminadas Temixco Morelos Universidad
Nacional Autoacutenoma de Meacutexico
UNESCO (2015) Informe de las Naciones Unidas sobre los recursos hiacutedricos en el mundo
2015 Francia UNESCO
Vargas Solla M amp Palacio Gonzales J (2017) Propuesta de clasificacioacuten de los procesos
de oxidacioacuten avanzada Revista ambiental agua aire y suelo 21
Ziqiu L Zhang W Pang S Huang Y Mishra S Bhatt P amp Chen S (2020) Current
Approaches to and Future Perspectives on Methomyl Degradation in Contaminated
SoilWater Environments Molecules 16
Zuluaga P (2012) Folleto sobre el uso de plaguicidas Revista veterinaria
73
74
75
2
altos compuestos quiacutemicos como nitritos nitratos y metales pesados los cuales poseen
altas trazas representativas que contaminan los ecosistemas (Caacuterdenas amp Saacutenchez 2013)
Para el caso del municipio de Urrao las aguas residuales de los cultivos de aguacate son
una problemaacutetica ambiental debido a que se vierten con residuos del insecticida Metomil
el cual es muy empleado en los diferentes cultivos del Municipio por su alta eficiencia para
eliminar insectos que afectan negativamente los cultivos (Fernaacutendez et al 2010) A estas
aguas residuales que provienen de los cultivos no se les realiza un adecuado tratamiento
para la toxicidad del Metomil y a esto se le suma que en el municipio de Urrao posee
actualmente 3200 hectaacutereas sembradas en cultivos de aguacate siendo un municipio con
gran extensioacuten de este cultivo en Colombia (Mesafitosanitaria 2020) Por lo tanto diversas
fuentes hiacutedricas y reservas de agua subterraacutenea estaacuten en riesgo de ser contaminadas Los
cultivos cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales en donde se emplea un
filtro de carboacuten activado para su tratamiento pero este no cumple la funcioacuten de un sistema
de tratamiento primario de aguas residuales es decir no elimina los elementos
contaminantes del insecticida Metomil debido a que para ello se necesita un tratamiento
maacutes avanzado (Escudero 2015) Por tanto el sistema de tratamiento actual resulta
ineficiente para dar solucioacuten a esta problemaacutetica ya que este posee estructuras quiacutemicas
complejas y son altamente persistentes en el agua (Campo et al 2013) En la actualidad se
han desarrollado nuevas tecnologiacuteas para la degradacioacuten de este contaminante y removerlo
con mayor facilidad del agua (Pulgariacuten et al 2018) Dentro de estas tecnologiacuteas para tratar
las aguas contaminadas de los cultivos se encuentran los procesos avanzadas uno de los
maacutes conocidos son los procesos de oxidacioacuten avanzada los cuales han mostrado buenos
resultados en tratamientos de aguas con pesticidas aplicando la fotocataacutelisis heterogeacutenea en
3
donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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donde se utiliza la radiacioacuten ultravioleta y un semiconductor el cual acelera la reaccioacuten
degradando el contaminanteHan et al 2020) es importante tener en cuenta que el
catalizador a utilizar juega un papel fundamental en la degradacioacuten del contaminante el
catalizador que mejor se adapta para este tipo de procedimientos es el dioacutexido de titanio
(TiO2) ademaacutes posee una alta viabilidad teacutecnica econoacutemica y ambiental (Forero 2010)
En consecuencia el propoacutesito de este trabajo fue realizar una revisioacuten de literatura sobre
las caracteriacutesticas fitoquiacutemicas del insecticida Metomil y las afectaciones al medio
ambiente y la salud de las personas como tambieacuten investigar los procesos de oxidacioacuten
avanzada particularmente sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea se plasmoacute una alternativa con
base al principio de la fotocataacutelisis heterogeacutenea para tratar las aguas contaminadas de los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
4
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminacioacuten ambiental conlleva al deterioro de los ecosistemas permitiendo el
desequilibrio de estos uno de los procesos que influye en esta problemaacutetica es la
contaminacioacuten ocasionada por las actividades agriacutecolas que genera situaciones de riesgo para
la salud de los seres humanos y la calidad ambiental En este sentido la actividad agriacutecola a
nivel mundial continua en crecimiento incrementando la demanda de agua y el deterioro de
la misma
Para el caso de departamento de Antioquia este es el segundo productor agriacutecola de
Colombia presentando aguas contaminadas con residuos de pesticidas el Municipio de Urrao
posee 3200 hectaacutereas de cultivos de aguacate convirtieacutendose en uno de los mayores
productores del departamento En los cultivos de aguacate se emplea el Metomil para
eliminar insectos que afectan la productividad del cultivo este insecticida es uno de los maacutes
utilizados ya que elimina eficazmente los insectos mejorando la rentabilidad del cultivo
El anterior uso ocasiona afectaciones al medio ambiente ya que los residuos del insecticida
producen efectos de bioacumulacioacuten en los organismos de los ecosistemas ocasionando
enfermedades en estos y permitiendo que se incorporen en la cadena troacutefica hasta llegar a los
seres humanos
Otra problemaacutetica son las afectaciones a la salud de los seres humanos que este ocasiona
ya que provoca la inhibicioacuten de la enzima afectando el sistema nervioso ocasionando
intoxicacioacuten produciendo mareos voacutemitos ceguera dantildeos en el ADN (aacutecido
desoxirribonucleico) y en algunos casos la muerte
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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Ziqiu L Zhang W Pang S Huang Y Mishra S Bhatt P amp Chen S (2020) Current
Approaches to and Future Perspectives on Methomyl Degradation in Contaminated
SoilWater Environments Molecules 16
Zuluaga P (2012) Folleto sobre el uso de plaguicidas Revista veterinaria
73
74
75
5
Con base a lo anterior se plantea la siguiente pregunta de investigacioacuten iquest ES LA
FOTOCATALISIS HETEROGENEA LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA
TRATAR LAS AGUAS CONTAMIDAS CON METOMIL EN LOS CULTIVOS DE
AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
6
3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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75
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3 OBJETIVOS
31 Objetivo general
Realizar una revisioacuten bibliograacutefica sobre la fotocataacutelisis heterogeacutenea para
determinar su factibilidad como alternativa de tratamiento de aguas residuales en los
cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
32 objetivos Especiacuteficos
Especificar las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil y el dantildeo que
ocasiona a la salud humana y a los ecosistemas
Investigar sobre los procesos de oxidacioacuten avanzada haciendo eacutenfasis sobre la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
Describir la alternativa de tratamiento de aguas residuales mediante fotocataacutelisis
heterogeacutenea para los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
7
4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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4 RUTA METODOLOGICA
Para cumplir los objetivos de este trabajo se realizoacute una revisioacuten de literatura
cientiacutefica sobre el ingrediente activo del insecticida Metomil sus afectaciones a la salud y a
los ecosistemas por uacuteltimo se realizoacute una propuesta para ser llevada a cabo en el
municipio de Urrao que permita tratar las aguas contaminadas con el insecticida Metomil
La investigacioacuten se realizoacute en el mes abril del antildeo 2020 en conformidad con la
declaracioacuten PRISMA (Urruacutetia y Bonfill et al 2010) esta tiene la finalidad de establecer la
metodologiacutea para la buacutesqueda informacioacuten de manera que se alcancen los objetivos
propuestos La buacutesqueda se realizoacute en las bases de datos de Springer Link Scopus y
Science Direct La ruta de buacutesqueda generalizada fue [((Methomyl insecticide) AND
impactos health human)) AND (enviroment) ((Methomyl degradation)) AND (advance
oxidation sistems)]
41 Criterios de inclusioacuten y exclusioacuten
Los artiacuteculos que se incluyeron fueron en idioma ingleacutes y originales de la literatura
cientiacutefica desarrollados en los uacuteltimos 10 antildeos (2010-2020) Los criterios de inclusioacuten
fueron artiacuteculos correspondientes a estudios realizados sobre el insecticida Metomil sus
afectaciones a la salud humana y al medio ambiente Tambieacuten se tuvieron en cuenta
artiacuteculos sobre la degradacioacuten del Metomil mediante la aplicacioacuten de sistemas de oxidacioacuten
avanzada y su degradacioacuten en tratamientos en aguas residuales Se excluyeron aquellos
artiacuteculos en los cuales la aplicacioacuten de la oxidacioacuten avanzada para el tratamiento de aguas
contaminadas con Metomil representara grandes inversiones econoacutemicas La seleccioacuten de
los artiacuteculos se realizoacute de acuerdo a los tiacutetulos y resuacutemenes escogiendo aquellos
8
potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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potenciales para el cumplimiento de los objetivos de la presente revisioacuten sistemaacutetica Para
la organizacioacuten de los documentos se realizoacute una matriz en Excel con los siguientes datos
nombre autor paacutegina y resumen Finalmente se realizoacute un anaacutelisis de los artiacuteculos y se
agregoacute la informacioacuten requerida para el cumplimiento de los objetivos
Se seleccionaron un total de 95 artiacuteculos en las bases de datos estos fueron evaluados de
acuerdo a los criterios de inclusioacuten y exclusioacuten Scopus (32) Springer Link( 24) Science
direct (39) despueacutes de realizar la evaluacioacuten se excluyeron 60 por no cumplir con los
criterios de inclusioacuten quedando un total de 35 artiacuteculos para analizar a texto completo a
estos se le anexaron 45 artiacuteculos encontrados en la literatura gris como Google Scholar y
tesis para un total de 80 artiacuteculos incluidos en elaboracioacuten del documento en la siguiente
ilustracioacuten 1 se menciona el proceso de la elaboracioacuten de buacutesqueda y seleccioacuten de artiacuteculos
Figura 1 Proceso para elaborar una revisioacuten sistemaacutetica Fuente (Moreno et al 2018)
Busqueda de literatura en bases de datos Scopus-
Springer Link-Science Direct
Resultados combinados de la busqueda (n-95)
Duplicados removidos (n-0)
Articulos filtrados en base a titulo y resumen (n-95)
Articulos de otras fuentes (n-45) Articulos
filtrados a texto completo para su elegibilida
(n-35)
Total de estudios incluidos en la elaboracioacuten del
documento (n-80)
9
5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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5 CAPITULO l GENERALIDADES
51 Agua
El agua es uno de los recursos naturales maacutes importantes en la tierra Esta cubre el 71
de la superficie de la corteza terrestre maacutes del 97 del recurso se encuentra en los oceacuteanos
y mares dos tercios del resto se encuentra en las capas de hielo glaciares y profundos
acuiacuteferos solo un pequentildeo porcentaje del recurso es disponible para satisfacer las
necesidades de los seres humanos (Barker et al 2020 Cirelli 2012) Es importante
recalcar que el ciclo hidroloacutegico forma parte del proceso de recirculacioacuten del recurso agua
en los ecosistemas haciendo posible la vida en el planeta y es clave para el movimiento de
los elementos en los ciclos biogeoquiacutemicos (Acevedo 2016) En la Figura 2 se muestra el
proceso del ciclo hidroloacutegico
Figura 2 Imagen del ciclo hidroloacutegico Fuente (Acevedo 2016)
Para el caso puntual de Colombia por su localizacioacuten geograacutefica su orografiacutea y una
gran variedad de regiacutemenes climaacuteticos se ubica entre los paiacuteses con mayor riqueza en
recursos hiacutedricos a nivel mundial (PNGIRH 2010) Sin embargo cuando se observa con
10
detalle la poblacioacuten y sus actividades socioeconoacutemicas la mayoriacutea se ubican en regiones
con baja oferta hiacutedrica y con necesidades hiacutedricas insatisfechas haciendo que cada vez sea
mayor el nuacutemero de impactos de origen antroacutepico sobre el agua haciendo que la
disponibilidad del recurso en el paiacutes sea cada vez menor (Erazo amp Osorio 2017)
511 Usos del agua
El recurso hiacutedrico es comuacutenmente el maacutes empleado para el desarrollo de las actividades
humanas es importante usar la calidad de agua para el uso que se requiera sus usos de
dividen en naturales y antroacutepicos (Cirelli 2012) En Colombia los usos para los cuales el
recurso hiacutedrico puede ser empleado en el territorio colombiano son los siguientes
consumo humano y domeacutestico uso para la preservacioacuten de la flora y fauna uso para la
pesca maricultura y acuicultura uso agriacutecola uso pecuario uso recreativo y uso industrial
Navegacioacuten y transporte acuaacutetico y por uacuteltimo uso esteacutetico (Decreto 1077 2015)
De los anteriores usos el que maacutes cantidad de agua demanda es la produccioacuten agriacutecola
esto debido a que es la principal actividad econoacutemica del campo colombiano constituyendo
este uso uno de los que maacutes contamina las aguas en el paiacutes (Sostenible 2012)
52 Contaminacioacuten de las aguas
Seguacuten Salcedo (2017) antiguamente el agua que transportaba los contaminantes se
desechaba directamente en los cuerpos de agua receptores sin ninguacuten control Esto ocasionoacute
que la calidad de vida de los organismos que habitaban dichas fuentes asiacute como su entorno
se viera afectada grandemente provocando en muchos de los casos enfermedades y muerte
de los mismos En la actualidad las actividades humanas como la eliminacioacuten inadecuada
de efluentes municipales e industriales y las aplicaciones indiscriminadas de agroquiacutemicos
11
en la agricultura son los principales factores que contribuyen al deterioro de la calidad del
agua (Azizullah et al 2011) Ademaacutes la agricultura intensiva conduce a la contaminacioacuten
del suelo y del agua por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas esto debido a las malas
praacutecticas agriacutecolas lo cual ocasiona dantildeos en los ecosistemas acuaacuteticos (Drobota et al
2012) Lo anterior ha permitido que se empiece a tomar conciencia del peligro que ocasiona
desechar aguas contaminadas directamente hacia los riacuteos y lagos (Salcedo 2017)
521 Contaminacioacuten de las aguas por plaguicidas
Seguacuten Dragicevic (2020) la contaminacioacuten del agua causada por las praacutecticas
agriacutecolas es un problema cada vez maacutes alarmante en todo el mundo a medida que la
demanda mundial de alimentos continuacutea aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a
pesticidas y fertilizantes para mantener y maximizar la produccioacuten Por otro lado la
agricultura de regadiacuteo ha consumido tradicionalmente maacutes de dos tercios del suministro de
agua disponible el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua subterraacutenea y
superficial impactando negativamente los ecosistemas y las poblaciones que viven en ellos
(Agrawal et al 2010) El agua subterraacutenea es especialmente importante como fuente de
reserva de agua potable a nivel mundial (Anmad amp Mohammad 2020) Seguacuten un informe
realizado por la Organizacioacuten de las Naciones Unidas para la Educacioacuten la Ciencia y la
Cultura (UNESCO) aproximadamente 2500 millones de personas en todo el mundo
dependen del agua subterraacutenea como fuente de agua potable solo en los Estados Unidos el
40 de las personas dependen de este recurso especialmente en las zonas rurales donde a
menudo el agua subterraacutenea es la uacutenica fuente de agua potable para estas comunidades
(UNESCO 2015)
12
53 Plaguicidas
Los plaguicidas son compuestos quiacutemicos de origen sinteacutetico que permiten combatir
insectos hongos plantas y especies no deseadas en los diferentes cultivos (Zuluaga 2012)
se originaron como resultado de investigaciones enfocadas a la creacioacuten de productos
quiacutemicos los cuales eran probadas en insectos al ver su alta eficiencia para eliminar los
insectos en los cuales eran probadas fueron aplicados con fines agriacutecolas para incrementar
la productiva y mejorar la rentabilidad (Ramiacuterez amp Lacasantildea 2010) En la siguiente tabla
se explica la evolucioacuten de los plaguicidas a lo largo de la historia teniendo en cuenta que la
revolucioacuten verde dio pie a la utilizacioacuten de gran cantidad de agroquiacutemicos para aumentar la
produccioacuten agriacutecola ver Tabla 1
Tabla 1
Historia de los plaguicidas Fuente (FAO 2017)
Periodo
Ejemplo
Fuente
Caracteriacutesticas
1800-
1920
Primeros plaguicidas
orgaacutenicos nitrofenoles
clorofenoles creosota
naftaleno aceites de
petroacuteleo
Quiacutemica orgaacutenica
productos derivados de la
elaboracioacuten de gas de
carboacuten etc
Con frecuencia
carecen de
especificidad y eran
toacutexicos para el usuario
o para organismos que
no eran los
destinatarios
1945-
1955
Siacutentesis orgaacutenica
Persistentes buena
selectividad buenas
13
Productos orgaacutenicos
clorados DDT HCCH
ciclodien Clorados
propiedades agriacutecolas
buenos resultados en
materia de salud
puacuteblica resistencia
efectos ecoloacutegicos
nocivos
1945-
1970
Inhibidores de la
colinesterasa compuestos
organofosforados
carbamatos
Siacutentesis orgaacutenica buena
utilizacioacuten de las
relaciones
estructura-actividad
Menor persistencia
cierta toxicidad para el
usuario algunos
problemas ambientales
1970-
1985
Piretroides sinteacuteticos
avermectinas imitaciones
de las hormonas juveniles
plaguicidas bioloacutegicos
Perfeccionamiento de las
relaciones estructura-
actividad nuevos
sistemas de seleccioacuten de
objetivos
Perfeccionamiento de
las relaciones
estructura-actividad
nuevos sistemas de
seleccioacuten de objetivos
1985 Organismos obtenidos por
la ingenieriacutea geneacutetica
Transferencia de genes
para plaguicidas
bioloacutegicos a otros
organismos y a plantas y
animales beneficiosos
Alteracioacuten geneacutetica de
las plantas para que
resistan mejor a los
Posibles problemas con
mutaciones y fugas
perturbacioacuten de la
ecologiacutea
microbioloacutegica
monopolio de los
productos
14
efectos no deseados de
los plaguicidas
531 Componente de los plaguicidas
De acuerdo a la literatura revisada la composicioacuten de un pesticida en la fase de
fabricacioacuten se logra adicionando dos ingredientes el primero es el ingrediente activo el
cual es el responsable del efecto del pesticida en la planta el segundo es el ingrediente
aditivo el cual se adiciona al ingrediente activo para facilitar la aplicacioacuten lo que mejora la
eficacia del producto y evitando que se degrade raacutepidamente disminuyendo riesgos de uso
(ANDI 2013) La clasificacioacuten de los pesticidas en cuanto a su toxicidad se estaacute
actualizando constantemente ya que raacutepidamente se estaacuten incorporando nuevos productos
al mercado de diversos grupos quiacutemicos haciendo compleja la clasificacioacuten basada en
criterios de toxicidad siendo los organoclorados y los carbamatos los agroquiacutemicos
catalogados como los maacutes toacutexicos en la actualidad ( Agrawal et al 2010) A continuacioacuten
en la Tabla 2 se clasifican los grupos quiacutemicos y el nombre comercial de los pesticidas maacutes
empleados en la actualidad
Tabla 2
Clasificacioacuten de los Plaguicidas Fuente ( (Medina Flores 2019)
Grupo quiacutemico Tipo Ejemplos
Insecticidas Clorados DDT clordano Lindano
Heptacloro Aldrin
Organofosforados Acefato Clorpirifos metil demetoacuten
etc
15
Carbamatos Carbofuraacuten Carbosulfaacuten Metomilo
Piretroides CipermetrinaCiflutrina permetrina
Fungicidas Triazoles Epoxiconazole Ciproconazole etc
Benzimidazoles Carbendazim metil tiofanato
Imidazolinonas Imazaquim Imazetapir Imazapir
Herbicidas Triazinas Prometrina
Benzonitrilos Bromoxinil
Dentro de los carbamatos de encuentra el insecticida Metomil el cual es un compuesto
quiacutemico de mayor uso como insecticida y acaricida para el control de un amplio rango de
plagas agriacutecolas (Naacutepan et al 2010) Este es considerado como altamente toacutexico con dosis
letal en ratas de CL50 (ugL-1 ) (Napaacuten 2010)
Seguacuten resolucioacuten 0883 de 2018 para realizar el vertimiento de las aguas contaminadas
con plaguicidas describe que se debe de remitir a la resolucuoacuten 0631 de 2015 en el capitulo
IV en donde se establece que los vertimientos para plaguicidas alta mente toxicos con
dosis letal (DL 50) debe de obeder a una concentracioacuten maxima permisible del ingrediente
activo de 20mgkg
54 Insecticida Metomil
El Metomil es empleado comuacutenmente en varios sectores agriacutecola los carbamatos han
surgido como un mejor sustituto del organofosforado los carbamatos son de gran eficacia
debido a su amplio espectro (Ziqiu et al 2020) El ingrediente activo del insecticida
Metomil es el compuesto S-metil (EZ) -N- (metilcarbamoiloxi) tioacetimidato el cual fue
introducido en 1966 como un insecticida para ser utilizado en el manejo fitosanitario de
diferentes cultivos (Gaete et al 2013) Seguacuten la Agencia de Proteccioacuten Ambiental (EPA)
16
de los Estados Unidos de Ameacuterica este se usa para controlar el follaje y las plagas de
insectos transmitidas por el suelo Es importante aclarar que en el antildeo 2015 este fue
restringido en los Estados Unidos debido a que la EPA lo calificoacute como altamente toacutexico
(EPA 2017) La toxicidad de este insecticida estaacute relacionada a su composicioacuten quiacutemica
debido a que los carbamatos son derivados ciacuteclicos o alifaacuteticos del aacutecido carbaacutemico y son
estructuralmente complejos (Gupta 2011) En la Tabla 3 se muestra las propiedades
fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil
Tabla 3
Propiedades fisicoquiacutemicas del insecticida Metomil Fuente (EPA2017)
Insecticida Metomil
Ingrediente activo N-metilo
Clase quiacutemica Carbamato
Foacutermula C5H10N2O2S
Peso Molecular 16221
Coacutedigo EPA 090301
Nuacutemero CAS 16752-77-5
Nombres quiacutemicos
Metomilo Nudrin Mesomile
Lannate Lanox 90 Lannate L
Methomex Un-Bait 2 Metomil
Solubilidad en agua 579 gL a 25degC
Solubilidad en otros
solventes
Metanol acetona etanol e
isopropanol
17
Punto de fusioacuten 79 degC
Presioacuten de vapor 665 MPa a 25 degC
Coeficiente de particioacuten No disponible
Coeficiente de absorcioacuten 72
Figura 3 Formula estructura del Metomil Fuente (Suni2019)
El Metomil es ampliamente utilizado para controlar artroacutepodos nematodos moscas y
plagas de cultivos este es eficaz de dos maneras (a) como un insecticida de contacto
porque mata a los insectos objetivo al contacto directo y (b) como un insecticida
sisteacutemico debido a su capacidad de causar envenenamiento sisteacutemico general en los
insectos (Aktar et al 2010) Tambieacuten tiene la capacidad de ser absorbido por la planta sin
que cause dantildeos en el desarrollo de la misma el 10 del pesticida aplicado llega a los
organismos que desea eliminar y el restante es distribuido en los ecosistemas afectando
seres vivos que no se desean eliminar (Ziqiu et al) En un estudio realizado en Estados
Unidos y Asia en los riacuteos Kabul e Indo respectivamente se detectoacute la presencia del
insecticida Metomil en 2 de 446 muestras en aguas superficiales y en 25 de 1023 muestras
en aguas subterraacuteneas concluyendo que el insecticida Metomil se encuentra en mayor
18
cantidad en aguas subterraacuteneas que en aguas superficiales siendo su concentracioacuten en microgL
mayor en los riacuteos de Asia en comparacioacuten con los riacuteos de estados unidos (Saad et al 2017)
En la Tabla 4 se muestran los resultados de las concentraciones del insecticida Metomil en
los riacuteos presentadas por unidades en microgramos por litro
Tabla 4
Concentraciones de Metomil encontradas en riacuteos Fuente (Saad et al 2017)
Concentraciones encontradas de Metomil (microgL)
Riacuteo Kabul Riacuteo Indo Riacuteos en otros paiacuteses
550 plusmn 390 02 plusmn 003 lt 01 Riacuteo Crotoacuten Estados Unidos
541 Afectaciones a la salud humana
La contaminacioacuten por el insecticida Metomil en aguas superficiales y subterraacuteneas ha
aumentado considerablemente constituyeacutendose como un contaminante peligroso para la
salud de los seres humanos esto en gran parte al uso extensivo de esta sustancia en
diferentes partes del mundo (Fakharany et al 2011) Siendo considerado un compuesto
altamente toacutexico para el cuerpo humano y la exposicioacuten directa o accidental a altas
concentraciones pueden provocar intoxicaciones graves o la muerte (Ziqiu et al 2020) En
los humanos el envenenamiento se debe a la inhibicioacuten de la accioacuten de la enzima
colinesterasa en las uniones neuromusculares del sistema nervioso y en los receptores
muscariacutenicos un nivel reducido de esta enzima en la sangre es un indicativo de
envenenamiento por este insecticida (Amornlertwatana et al 2011) Los siacutentomas por
19
inhibicioacuten de la enzima producen en los seres humanos insuficiencia respiratoria y paraacutelisis
de los muacutesculos (Ziqiu et al 2020) En una investigacioacuten llevada a cabo en Estados
Unidos de Ameacuterica sobre las afectaciones a mujeres en embarazo las cuales tuvieron
contacto con el insecticida ya sea por alimentos agua suelo y aire contaminado arrojo que
las mujeres embarazadas que estuvieron expuestas al Metomil directa o indirectamente
desarrollaron efectos negativos como enfermedades durante el embarazo y parto
malformacioacuten del feto perdida fetal (Iyer amp Makris 2010)
En otro estudio se encontroacute que en trabajadores de faacutebricas y agricultores que se
encontraban frecuentemente expuestos a altas concentraciones de Metomil presentaron
trazas de este insecticida en el estoacutemago la sangre perifeacuterica el cerebro y el corazoacuten
causando a los trabajadores dantildeo en el ADN (Aacutecido Desoxirribonucleico) y ceguera
cortical dejando secuelas de los efectos de la exposicioacuten por el insecticida Metomil a
mediano y largo plazo (Ziqiu et al 2020) Ademaacutes en una encuesta que realizo en Francia
muestra que la poblacioacuten fue envenenada con el insecticida Metomil afectando seriamente
la salud de las personas (Gupta 2011)
Por anterior y con la finalidad de minimizar los impactos en la salud la EPA clasificoacute
los productos de Metomil utilizados en entornos agriacutecolas como uso restringido lo que
significa que solo pueden ser utilizados bajo la supervisioacuten directa de aplicadores
especialmente capacitados y certificados (EPA 2017) A pesar de todos los estudios
realizados donde se muestra las graves afectaciones que el Metomil ocasiona a la salud de
los seres humanos y a pesar de estar restringido en otros paiacuteses en Colombia este se sigue
aplicando con normalidad en los cultivos (Fernaacutendez et al 2010)
20
542 Afectaciones a los ecosistemas
Con respeto a las afectaciones sobre la contaminacioacuten al recurso hiacutedrico por las praacutecticas
agriacutecolas en las cuales se emplea el insecticida Metomil este es un problema cada vez maacutes
alarmante en todo el mundo a medida que la demanda mundial de alimentos continuacutea
aumentando maacutes agricultores estaacuten recurriendo a pesticidas y fertilizantes para mantener y
maximizar la produccioacuten el resultado de estas praacutecticas es la contaminacioacuten del agua
subterraacutenea y superficial que impacta negativamente los ecosistemas (Dragicevic 2020)
Esta contaminacioacuten se da en parte porque el Metomil posee una alta solubilidad en el agua
ocasionando que se mueva con facilidad vertical y horizontalmente en el suelo generando
perdida de la biota dando como resultado suelos infeacutertiles a causa de la contaminacioacuten
(Aktar et al 2010) Ademaacutes debido a las precipitaciones el Metomil se convierte en
lixiviado llegando faacutecilmente a las fuentes hiacutedricas en donde tiene una vida media de 262
diacuteas tiempo suficiente para afectar a organismos beneacuteficos que se encuentran dentro del
ecosistema originando el proceso de bioacumulacioacuten lo cual afecta la cadena troacutefica hasta
finalmente llegar a los seres humanos (Ziqiu et al 2020)
Por lo anterior los estudios sobre la permanencia del Metomil en los suelos y en las
fuentes hiacutedricas han ganado importancia debido a su posible contaminacioacuten a la red troacutefica
(Aktar et al 2010) En la tabla 5 se presentan los impactos toxicoloacutegicos del Metomil en
animales acuaacuteticos anfibios mamiacuteferos terrestres y humanos
Tabla 5
Impactos toxicoloacutegicos del Metomil en animales Fuente(Saad et al 2017)
21
especies
Muestra estudio Concentracioacuten de
Metomil (Volumen)
Declaracioacuten especifica
1 Tilapia 32-10 mgl Genotoxicidad causada por Metomil
2 Tilapia 02-200 microgl Lesioacuten y apoptosis del tejido
testicular
3 Tilapia 02-2000 microgl Inhibicioacuten del sistema antioxidante
44 Tilapia 02-2000 microgl Interrupcioacuten del sistema endocrino
55 Ranas 869 mgl Induce teratogenicidad y
neurotoxicidad
66 Ranas 10mgl Muerte o deformacioacuten en renacuajos
77 Ranas 10 mgl Inhibicioacuten del aparato reproductor
8 Ratas 1543mgl Malformaciones en feto
99 Ratas 17mgkg Actividad inhibida del cerebro
10 Ratas 025-25 mgkg Inhibicioacuten del aparato reproductor
11 Ratas 10 mgkg Inhibicioacuten de la funcioacuten hepaacutetica y
la actividad enzimaacutetica
12 Humano Desconocido 17 personas intoxicadas en Francia
13 Humano 570 microgl Muerte por inhalacioacuten de demasiado
Metomil
14 Humano Desconocido La persona murioacute despueacutes de ingerir
Metomil
15 Humano 300 cm3 Ceguera cortical reversible y
descamacioacuten continua
22
17 Ceacutelulas 6-30 mmol Dantildeo en el ADN y apoptosis
inducida por Metomil
17 Zooplancton 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
17 Pez 8microgl Reduccioacuten de la eficiencia en la
cadena alimentaria
23
6 CAPITULO II INVESTIGAR SOBRE LA OXIDACIOacuteN AVANZADA
HACIENDO EacuteNFASIS SOBRE LA FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA
61 Procesos de oxidacioacuten avanzada
Este tratamiento fue descrito en el antildeo (1987) basaacutendose en la generacioacuten de
oxidantes fuertes como los radicales OH para la degradacioacuten de compuestos solubles no
biodegradables presentes en el agua residual (Sachez et al 2018) Los procesos de
oxidacioacuten avanzada se definen como oxidacioacuten quiacutemica en condiciones de presioacuten y
temperatura ambiente adecuadas con la cual se puede llegar hasta la mineralizacioacuten
completa de los contaminantes tal y como se demuestra en la siguiente reaccion (Pentildea et
al 2013)
OH + C5H10N2O2S rarr CO2 + H2O + iones inorgaacutenicos
Han emergido como una alternativa para el tratamiento de agua involucrando la
generacioacuten de especies altamente oxidante capaces de degradar contaminantes complejos y
producir cambios en la estructura quimica como resultado de la particioacuten de los radicales
libres en especial radicales de hidroxilo ( OH) (Escalabante et al 2014) En la tabla 6 se
puede observar que los radicales de hidroxilo ocupan un lugar importante dentro de los
agentes oxidantes
24
Tabla 6
Potenciales de algunos agentes oxidante Fuente (Escalabante et al 2014)
Agente Oxidante Potencial de oxidacioacuten (Edeg)
Flour (F) 306
Radical Libre (∙OH) 280
Oxigeno atomico (O) 242
Ozono (O3) 208
Peroxido de hidrogeno (H202) 178
Cloro (Cl2) 136
Oxigeno molecular (O2) 123
612 Ventajas y desventajas de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Los procesos de oxidacioacuten avanzada presentan ventajas que los definen como
tecnologiacuteas prometedoras de cara al tratamiento de aguas sin embargo existen desventajas
que en ocasiones hace difiacutecil la aplicacioacuten a escala real (Simorte 2010) En la Tabla 7 se
mencionan las ventajas y desventajas de la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten
avanzada
25
Tabla 7
Ventajas y desventajas en la aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente
(Simorte 2010)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Meacutetodos efectivos en la destruccioacuten de
compuestos aromaacuteticos
Altos costos de operacioacuten y mantenimiento
Generalmente se consigne la destruccioacuten
completa del contaminante
Quiacutemica compleja adaptada a contaminantes especiacuteficos
Sirven para contaminantes de muy baja
concentracioacuten
Puede ser necesario la eliminacioacuten del peroacutexido residual
Los reactivos generados como oxidantes son
generalmente sustancias que se descomponen
durante el proceso en productos inocuo
Mano de obra especializada
Usualmente no generan barros que a su vez
requiere un proceso de tratamiento
613 Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Se clasifican en procesos fotoquimicos y no fotoquimicos en funcioacuten de la utilizacioacuten o
no de radiaciones luminosas (Vargas et al 2017) En la Tabla 8 se muestra la clasificacioacuten
de los procesos de oxidacioacuten avanzada
Tabla 8
Clasificacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzada Fuente (Soliacutez 2016)
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
26
Ozonizacioacuten en medio alcalino (O3OH-) Oxidacioacuten en agua subterraacutenea y supercriacutetica
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O3H2O2) Fotoacutelisis de agua en ultravioleta de vaciacuteo (UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVH2O2
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVO3
Radioacutelisis y tratamiento con haces de electrones Foto-Fenton y relacionados
Plasma no teacutermico Fotocataacutelisis heterogeacutenea
Descarga electrohidraacuteulica y ultrasonidos
Dentro de las principales razones que hacen que los procesos de oxidacioacuten avanzada
sean de gran intereacutes es la posibilidad de utilizar energiacutea solar como fuente de fotones
contribuyendo a un ahorro energeacutetico y generando ventajas medio ambiente Por tanto los
procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos tienen mayor intereacutes (Soliacutez 2016)
6131 Procesos no fotoquiacutemicos
En este proceso se originan potentes reacciones principalmente el radical hidroxilo
mediante la transformacioacuten de especies quiacutemicas o mediante la utilizacioacuten de distintas
formas de energiacutea con excepcioacuten de la irradiacioacuten luminosa (Torices 2018) En la tabla 9
de describen los procesos no fotoquiacutemicos sus principios y su aplicabilidad
27
Tabla 9
Procesos de oxidacioacuten avanzada no fotoquiacutemicos y su principio Fuente (elaboracioacuten
propia)
Proceso Principio Reacciones quiacutemicas Aplicacioacuten ventajas y
desventajas
Ozonizacioacuten en
medio alcalino
El contaminante se descompone
en oxiacutegeno y agua se debe de
aumentar pH para que generen
los radicales de hidroxilo (OH)
permitiendo la oxidacioacuten
(Montiel et al 2016)
2O3+H2Orarr2OH+2O2+H02- Aplicado exitosamente en
tratamiento de agua potable
mejorando notablemente la
calidad del recurso tratando
nuacutemeros caudales y
concentraciones El alto es la
desventaja (Osorio et al 2010)
Ozonizacion
con perioxido de
hidrogeno
En esta teacutecnica se usan dos
oxidantes combinados que
producen una mejor capacidad
de degradacioacuten ya que la
presencia del H2O2 acelera la
formacioacuten de radicales
(Osorio et al 2010)
H2O2+H2OharrH2O+HO2-
O2+HOrarrHO2+O2
O2+HO2rarrHO∙+O∙2+O2
Este proceso es empleado para
tratamientos de agua potable ya
que puede tratar contaminantes
orgaacutenicos en muy bajas
concentraciones en medio
alcalino teacutecnica (Torices 2018)
Procesos Fentoacuten
(Fe2+H2O2)
Este proceso fue propuesto por
H J H Fenton (1894) para la
oxidacioacuten de aacutecido tartaacuterico el
meacutetodo se basa en la generacioacuten
de radicales hidroxilos (bullOH)
Fe3+H2O2rarrFe__OOH2+H+
Fe-OOH2rarrHO2+Fe2+
Fe2++H2O2rarrFe3+OH-
+OH
HO2Fe2rarrFE2+HO2
Se ha aplicado para diversos
contaminantes del agua
especialmente en solventes
orgaacutenicos colorantes productos
quiacutemicos y pesticidas Pero deja
28
por la adicioacuten de peroacutexido de
hidroacutegeno (Hp2) a sales
metaacutelicas de hierro (Sachez et
al 2018)
HO2Fe3+rarrFe2+O2+H+
OH+H2O2rarrH2O+HO2
subproductos toacutexicos
(Escalabante et al 2014)
Oxidacioacuten
electroquiacutemica
Se basa en la aplicacioacuten de
corriente eleacutectrica generando
proceso electroquiacutemico
oxiradicales con un poder
oxidante superior al de
cualquier contaminante
(Cifuentes et al 2015)
H2OrarrOH+H++e-
O2+2H++2e-rarrH2O2
Se ha empleado como
tratamiento previo al tratamiento
bioloacutegico para la
descontaminacioacuten de aguas que
contienen biodiesel logrando
excelentes resultados (Patintildeo et
al 2012)
Radioacutelisis y
tratamiento con
haces de
electrones
Se basa en la generacioacuten de
electrones altamente reactivos
iones y moleacuteculas neutras por
exposicioacuten de las aguas a
radiaciones electromagneacuteticas
de alta energiacutea para ello se
utilizan rayos X o radiacioacuten
gamma emitidas por fuentes
radiactivas (Pereacutez 2011)
H2Orarre-
aq+H++OH+H2+H2O2+H+
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada es ideal para el
tratamiento de compuestos
orgaacutenicos volaacutetiles y
semivolaacutetiles no genera
subproductos pero consume
mucha energiacutea no trata altas
concentraciones de
contaminantes (Jimenez 2014)
29
Plasma no
teacutermico
Este proceso se da gracias a una
descarga eleacutectrica de un gas con
un haz de electrones de alta
energiacutea Estos plasmas son
fuente de especies reactivas de
gran poder oxidante como el
ozono (O3) y radicales de
hidroxilo OH y de reductores
como el H y los propios
electrones del plasma (Montiel
et al 2016)
Se ha utilizado para remover
contaminantes del aire (oacutexidos
aacutecidos como NOx y SOx )
principalmente aunque tambieacuten
se ha aplicado para remover
contaminantes en agua como
los colorantes Una ventaja de
este meacutetodo es que no necesita
catalizadores (Montiel et al
2016)
Oxidacioacuten en
agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y HO∙
H0+CrarrCO2+H2O
NrarrNH3NO-3 oacute N SharrSO4
2-
C+HO aacutecidos grasos de
PMdarr
Se han realizo aplicaciones a
escala industrial presentando
algunas dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de calor
que se genera en la reaccioacuten
(Portela et al 2010)
Descarga
electrohidraacuteulica
y ultrasonidos
Se usan ultrasonidos de alta
potencia (de 15 kHz hasta 1
MHz) que generan burbujas de
gas en un medio acuoso la
teacutecnica se basa en la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica generando
implosioacuten de burbujas
alcanzando temperaturas y
H2OrarrH+HO
2HOrarrH2O2
O2rarr2O
H+O2rarrHO+O
Este proceso se ha aplicado en
sustancias volaacutetiles
hidrocarburos colorantes de la
industria obtenieacutendose buenos
resultados
30
presiones locales muy altas
entre 4000 y 10000 barios
(Goacutemez 2011)
613 2 Procesos fotoquiacutemicos
Los procesos fotoquiacutemicos emplean la luz ultravioleta lo que genera materia orgaacutenica lo
que ocasiona que queden en el agua como residuos toacutexicos (Vargas et al 2017) Por tanto
es importante combinar este proceso con el uso de la radiacioacuten Ultravioleta (UV) para que
los contaminantes orgaacutenicos absorban la radiacioacuten y se descompongan gracias a la fotolisis
generando la mineralizacioacuten completa del contaminante (Torices 2018) En la tabla 10 se
describen los procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos
Tabla 10
Procesos de oxidacioacuten avanzada fotoquiacutemicos Fuente (Elaboracioacuten propia)
Proceso Principio Reaccioacuten Aplicaciones ventajas y
desventajas
Oxidacioacuten en agua
supercriacutetica
Consiste en mezclar el agua
residual con aire a presioacuten y
temperatura elevada para
producir la degradacioacuten en la
fase liacutequida (Chaintildea 2017)
O2rarrH2O2rarrO2 Y
HOHO+C+CO2+H2O
NrarrNH3NO3- oacute N
C+HOaacutecidos orgaacutenicos
de PMdarr
Se han realizo aplicaciones
a escala industrial
presentando algunas
dificultades debido a
problemas en la gestioacuten de
calor que se genera en la
reaccioacuten (Portela et al
2010)
31
Fotoacutelisis de agua en
ultravioleta de vaciacuteo
Se utiliza la irradiacioacuten a
longitudes de onda por debajo
de los 190 nm (nanoacutemetro) la
excitacioacuten electroacutenica en esa
longitud de onda ocasiona la
ruptura homoliacutetica de uniones
generando degradacioacuten de la
materia orgaacutenica (Jimenez
2014)
H2O+hvrarrH-+ OH Es aplicado especialmente
en los sectores de la
medicina y la industria
Para tratar agua potable y
agua residual su consumo
de energiacutea incrementa
costos (Torices 2018)
UVH2O2
Este proceso de oxidacioacuten
avanzada implica la
formacioacuten de radicales
hidroxilos por fotoacutelisis del
peroacutexido de hidroacutegeno y sus
consiguientes reacciones de
propagacioacuten (Alonso 2013)
H2O2+hVrarr2OH Aplicada en la eliminacioacuten
de contaminantes
persistentes como el
clorofenol disminuyendo
las concentraciones del
contaminante pero sin
lograr altas degradaciones
(Alonso 2013)
UVO3
Es la combinacioacuten entre la
peronizacioacuten y fotooxidacioacuten
lo que permite que el ozono
tenga un mayor grado de
permeabilidad molar para
remover residuos contenidos
en el agua con alto fondo de
H2O+hV+O3rarrH2O2+O2
H2O2+hVrarr2OH
El meacutetodo se ha aplicado
para tratar aguas de la
industria y en el tratamiento
de aguas que contienen
plaguicidas implica alta
inversioacuten para el ozono y
equipo para destruccioacuten de
32
absorcioacuten de UV (Guerrero et
al 2017)
ozono remanente (Jimenez
2014)
Foto-Fenton
Se forman reacciones de
peroacutexidos de hidrogeno
(H2O2) en la que el hierro
actuacutea como catalizador
oxidando los compuestos
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
presentes (Loacutepez 2016)
Fe3+H2O+uvrarrFe2+OH
+H+
Aplicado en tratamiento de
aguas residuales
provenientes del proceso de
lavado de biodiesel
presentando altos valores
de remocioacuten tiene la
desventaja de tener de
agregar peroacutexido de
hidrogeno (Hincapie et
al2011)
Fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Se utiliza la radiacioacuten UV
junto con un reactivo por lo
general se usa TiO2 que
actuacutea como semiconductor
acelerando la reaccioacuten de
degradacioacuten del compuesto
(Pavas 2011)
TiO2rarre-+h+
e-+h+rarrRecombinacioacuten
h++H2OrarrOH+H+
h+OH-rarrOH
h+Rrarroxidacioacuten directa
OH+Rrarroxidacioacuten por
radical hidroxilo
e-+O2rarrO2-
O2+HO2+H+rarrH2O2+O2
H2O2+e-rarrOH-+OH
Aguas contaminadas con
pesticidas logrando
excelentes resultados
(Machuca et al 2011)
33
De los procesos fotoquiacutemicos mencionados anteriormente la fotocataacutelisis heterogeacutenea
con TiO2 se destaca de entre los otros por ser una tecnologiacutea limpia sin necesidad de antildeadir
compuestos quiacutemicos y permite la utilizacioacuten de luz solar como fuente energeacutetica del
proceso (Carro 2013) Ademaacutes de destacarse por varias ventajas la eficiencia de esta
teacutecnica radica en que los procesos presentan una raacutepida velocidad de oxidacioacuten dada por las
particiones de radicales (Garciacutea 2016) A continuacioacuten se explica la fotocataacutelisis
heterogeacutenea con maacutes detalle
62 Fotocataacutelisis
Este proceso se da gracias a que la luz ultravioleta degrada los elementos contaminantes
del medio del agua a partir de la generacioacuten de la reaccioacuten por oxidacioacuten originando los
radicales ( OH) los cuales crean el efecto oxidante (Rueda et al 2020) Los
semiconducotores desempentildean un papel fundamental en la fotocataacutelisis ya que se encargan
de acelerar la reaccioacuten dando como resultado la eliminacioacuten de materia orgaacutenica y metales
pesados disueltos en el agua residual (Rodriguez et al 2013) la aplicacioacuten de la
fotocatalisis se hace necesaria cuando el contaminante no tiene la capacidad de capturar
fotones por si mismo por tanto se requiere el uso del catalizar que acelera oxidacioacuten y
aboserbe la radiacioacuten (Nevarez et al 2017)
En la fotocataacutelisis se tiene dos tipos de procesos los procesos homogeacuteneos mediados
por compuestos ferricos en donde el sistema usado es una sola fase y los procesos
heterogeneos que emplean un catalizar como semiconductor (Guerrero et al 2017)
34
621 Fotocatalisis Heterogenea
Este proceso consiste en la absorcioacuten directa o indirecta de radiacioacuten ultravioleta (UV)
por un fotocatalizar heterogeneo por lo general este es un semiconductor de banda ancha en
la regioacuten interfacial entre soacutelido excitado y la solucioacuten tienen lugar las reacciones de
destruccioacuten o de remocioacuten de los contaminantes sin que el catalizador sufra cambios
quiacutemicos (Guerrero et 2017)
La reaccioacuten del semiconductor puede darse de dos formas directa es decir que este
absorbe los fotones usados en el proceso e indirecta donde las moleculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor se adnieren los electrones (Montiel et al 2016)
6211Mecanismo de reaccioacuten de la fotocatalisis
Por lo general se describen 5 pasos de reaccioacuten durante la fotocatalisis heterogenea
(Rueda et al 2020) Inicialmente se una generacioacuten de la luz ultravioleta sobre la
superficie del catalizador despues se da el proceso de asorber el contaminante ya que el
proceso fue activado por la radiacioacuten es ahiacute donde se dan las reacciones sobre el
semiconductor generando radicales libres dando como resultado la degradacioacuten del
contaminante
En la figura 4 se observa estos cinco pasos daacutendose el proceso de fotoexcitacioacuten el cual
ocurre sobre el semiconductor generando compuestos CO2 H2O y compuestos inoacuterganicos
inicialmente se produce una adsorcioacuten por parte del solido semiconductor en su superficie
como segundo paso se realiza la reaccioacuten superficial en la que se degrada el contaminante y
35
finalmente se produce la desorcioacuten de los productos como agentes de menor toxicidad y
riesgo para la salud (Avila et al 2019)
Figura 4 Mecanismos fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Avila et al 2019)
6212 Ventajas de la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En su estudio bibliograacutefico menciona las ventajas de realizar tratamientos terciarios a
fuentes contaminadas con metales pesados y compuestos orgaacutenicos son Se eliminan los
contaminantes del agua sin dejar subproductos contaminantes es empleado para eliminar
pequentildeas cantidades de productos quiacutemicos altamente contaminantes y se puede usar para
los compuestos recalcitrantes bajos costos y una larga vida uacutetil (Muntildeoz 2011)
No obstante una de las limitaciones de estos procesos es la necesidad de obtener
materiales semiconductores maacutes eficientes por lo que se debe de trabajar en desarrollos
tecnoloacutegicos (Loacutepez 2013)
6213 Paraacutemetros que influyen en el proceso de fotocataacutelisis
36
Para que se logren grandes porcentajes de remocioacuten en el proceso es importante tener en
cuenta los paraacutemetros que se mencionan a continuacioacuten (Jarentildeo 2012)
62131 Temperatura
Como se ha sentildeala anteriormente la fotocataacutelisis hace parte de los procesos fotoquiacutemicos en
donde la activacioacuten del fotocatalizador ocurre por la absorcioacuten de fotones mas no por aumento de
temperatura y no influye en las velocidades de reaccioacuten (Martiacuten 2016) Sin embargo la
temperatura si puede tener efectos sobre las otras etapas de la adsorcioacuten ya que temperaturas bajas
disminuyen la actividad por inhibicioacuten de la adsorcioacuten de reactivos por lo que recomiendan
temperaturas entre 20degC y 80degC en este rango no sufren cambios significativos la reaccioacuten (Pulgariacuten
et al 2018)
62132 pH
El efecto del pH determina el ataque especiacutefico de las especies oxidantes a ciertas partes
de la estructura quiacutemica del sustrato Ademaacutes el pH determina la carga eleacutectrica en la
superficie del catalizador y por tanto el tipo de compuestos que pueden ser adsorbidos por
el catalizador soacutelido afectando la velocidad de la degradacioacuten (Machuca et al 2011)
Generalmente los procesos de fotocataacutelisis heterogeacuteneas funcionan eficientemente con pH
aacutecidos comprendiendo valores entre 3-5 (Narvaacuteez et al 2012)
62133 Caracteriacutesticas y concentraciones del catalizador
El semiconductor debe de ser quiacutemicamente estable y no debe de generar lodos
subproductos contaminantes (Narvaacuteez et al 2012)
37
En tanto a la concentracioacuten del fotocatalizador cuando este se aumenta tambieacuten se
incrementa el proceso degradacioacuten pero cuando se tienen elevadas concentraciones del
catalizador se da el efecto de apantallamiento reduciendo el aacuterea expuesto a la radiacioacuten
incidente (Davila 2015) Sin embargo se debe de tener en cuenta que para la concentracioacuten
de contaminante hay una cantidad optima de catalizador siempre y cuando se cumpla con
estas cantidades la concentracioacuten no afecta el procedimiento (Machuca et al 2011)
62134 Naturaleza o concentracioacuten del contaminante
Cuando se aumenta la concentracioacuten del contaminante se aumenta el proceso de
absorcioacuten esto lleva a una saturacioacuten de la superficie del catalizador haciendo ineficiente el
proceso de oxidacioacuten (Goacutemez 2011)
62135 Calidad del agua
Cuando el agua cuenta con soacutelidos en suspensioacuten y materia orgaacutenica puede restar
eficiencia a la oxidacioacuten fotocataliacutetica ya que la turbidez interfiere en la interaccioacuten con luz
ultravioleta y el catalizador reduciendo la eficacia de la redaccioacuten por tanto se recomienda
tratar aguas residuales con poca turbidez (Nevarez et al 2017)
62136 Oxidante
38
El oxiacutegeno molecular es un oxidante muy usado este es fuertemente electroacutefilo de forma
que un aumento en su contenido reduce la reaccioacuten de recombinacioacuten se ralentiza la
velocidad de degradacioacuten (Goacutemez 2011)
62137 Intensidad de la radiacioacuten
La efectividad de la eliminacioacuten de un contaminante depende en gran parte en la
intensidad ya que esta es absorbida por el fotocatalizador acelerando la velocidad de la
reaccioacuten (Rodriguez 2015) El aumento de la intensidad de la radiacioacuten genera cambios en
la reaccioacuten en su orden cuando decrece el orden parcial de la reaccioacuten del sustrato quien no
puede generar maacutes electrones y la reaccioacuten se vuelve independientes de la radiacioacuten
ultravioleta (Reyes 2013) Esta radiacioacuten se puede dar por laacutemparas o por radiacioacuten solar
recomendando longitudes de onda a partir de los 350 nm (Perez 2016)
62138 el reductor
Favorece la reaccioacuten de oxidacioacuten para el caso de la oxidacioacuten avanzada a traveacutes de la
fotocataacutelisis heterogenia el radical de hidroxilo es el reductor encargado de favorecer la
reaccioacuten siendo el oxidante maacutes empleado el peroacutexido de hidrogeno H2O2 (Jarentildeo 2012)
62139 Disentildeo del reactor
Es uno de los paraacutemetros maacutes importante al aplicar el proceso se fotocataacutelisis
heterogeacutenea los reactores deben facilitar un gran nuacutemero de fotones y evitar que los
fotones salgan sin interceptar las partiacuteculas encargadas de que se de absorcioacuten (Carro
2013)
39
6214 Semiconductor
Los semiconductores o fotocatalizadores tienen la capacidad de absorber la luz
ultravioleta natural o artificial cuando el fotocatalizador adquiere la radiacioacuten suficiente la
energiacutea de fotones es absorbida por electroacuten de la banda de valencia y se excita con la
banda conduccioacuten (Cruz 2017) La importancia de la fotocataacutelisis radica en el hecho de que
un semiconductor proporciona tanto la oxidacioacuten como un entorno de reduccioacuten
simultaacuteneamente(Carro 2013)
Dentro de las principales caracteriacutesticas que debe de tener un semiconductor se
encuentran las propiedades cristalinas las cuales inciden en la generacioacuten pares e- h+ y su
disponibilidad la presencia de defectos en la estructura cristalina afecta la eficiencia del
proceso cataliacutetico Otra propiedad muy importante es su textura debido a que la eficiencia
del proceso cataliacutetico estaacute relacionada con el aacuterea superficial la cual depende de la
distribucioacuten de las partiacuteculas y de incidencia de la luz sobre esta (Ramos 2017) (Garciacutea
2016)
Para la seleccioacuten del material semiconductor se deben de cumplir una serie de requisitos
para que este sea eficaz a continuacioacuten se mencionan dichos requisitos (Garciacutea 2016)
Estructura estable durante la reaccioacuten
Que posible que se active cuando entre el contacto con la luz ultravioleta
Que no genere residuos despueacutes del proceso de degradacioacuten del contaminante
Precio asequible
40
6214 1 Inmovilizacioacuten de semiconductores
En un proceso fotocataliacutetico se puede emplear los semiconductores inmovilizados o
en suspensioacuten Siendo esta ultima la forma maacutes comuacuten para emplear ya que se
aprovecha la radiacioacuten ultravioleta al maacuteximo y se minimiza el transporte de materia en
el reactor sin embargo esta teacutecnica presenta inconveniente ya que es difiacutecil separar las
partiacuteculas una vez termina la reaccioacuten Por tanto se ha trabajo en la implementacioacuten de
TiO2 inmovilizadas estos estaacuten soportados dentro del reactor en los uacuteltimos antildeos se
han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de fotocatalizadores soportados que
faciliten el proceso de recuperacioacuten del mismo manteniendo en la medida de lo posible
una elevada actividad foto cataliacutetica (Carro 2013) (Cruz 2017)
62142 Dopado de semiconductores
En el proceso mediante el cual se le agregan impurezas al semiconductor comuacutenmente
se usan metales como oro platino y hierro que logran usar el espectro ultravioleta Uv Pero
se debe aclarar que a pesar de que han sido dopados sigue siendo maacutes eficiencientes los
semiconductores sin dopaje(Mejiacutea 2014)
62143 Semiconductores utilizados
En la Tabla 11 siguientes se muestra los semiconductores que pueden ser usados en los
procesos de fotocataacutelisis heterogeacutenea
41
Tabla 11
Semiconductores empleados en el proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea Fuente (Arboleda
2016)
Nombre Compuesto Energiacutea de salto de banda
(eV)
λ (nm)
Arseniuro de Galio GaAs 14 887
Sulfuro de Cadmio CdSe 17 730
Oxido de Cadmio CdO 21 590
Oacutexido de Hierro Fe2O3 22 565
Oacutexido de Zinc GaP 23 540
Trioacutexido de
Wolframio
WO3 28 443
Dioacutexido de Titanio TiO2 32 387
Oacutexido de Zinc ZnO 32 390
Titanio de Bario BaTiO3 33 375
Tausonita SrTiO3 34 365
Sulfuro de Zinc ZnS 37 336
Dioacutexido de estantildeo SnO2 39 318
Con la finalidad de comprobar la actividad fotocataliacutetica de los anteriores
semiconductores se han realizo estudios y la mayoriacutea son poco estableces y eficientes con
excepcioacuten del dioacutexido de titanio TiO2 (Garciacutea 2016) Este ha mostrado ser eficiente para el
proceso de fotocataacutelisis heterogeacutenea debido a que se mantiene estable en la reaccioacuten y tiene
una gran superficie de absorcioacuten (Muntildeoz 2011)
Uno de estos estudios sobre el tratamiento de aguas contaminadas con el insecticida
Metomil para determinar la funcionalidad del dioacutexido de titanio Tio2 dentro del proceso
arrojo que este tuvo altos porcentajes de degradacioacuten ademaacutes su comportamiento fue
estable y controlable durante la reaccioacuten (Cheng et al 2015) Otro estudio sobre la
aplicacioacuten de los procesos de oxidacioacuten avanzado por fotocataacutelisis heterogeacutenea en donde
se aplicoacute un modelo experimental de degradacioacuten del insecticida Metomil logrando
42
resultados de un 91 de eficiencia en la eliminacioacuten del contaminante (Tony amp Mansour
2019)
62144 Dioacutexido de Titanio (Tio2)
Las primeras investigaciones sobre la actividad fotocataliacutetica de este material se llevaron
a cabo en 1972 por Fujishima et al quienes estudiaron una celda con un electrodo de TiO2y
lograron realizar por primera vez la electroacutelisis del agua (Rodriguez 2015)
Este semiconductor es un mineral natural de gran importancia empleado en diversos
sectores ya que es quiacutemicamente estable permitiendo trabajar en un alto rango de pH ha
sido ampliamente utilizado debido a la estabilidad de su estructura quiacutemica baja toxicidad
y sus propiedades oacutepticas fiacutesicas eleacutectricas y cataliacuteticas (Garciacutea 2016) A continuacioacuten en
la Tabla 12 se describen las caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio (TiO2)
Tabla 12
Caracteriacutesticas del Dioacutexido de titanio Fuente (Garciacutea 2016)
Propiedades Valor
Densidad 405 (gcm3)
Porosidad aparente 0
Dureza 980 (Kgf mm2)
Moacutedulo de traccioacuten 250-300 Gpa
Resistencia a la comprensioacuten 800-1000 (Mpa)
Conductividad teacutermica a 20degC 25 a 50 (
Punto de fusioacuten 1850 degC
Aacutecidos concentrados Aceptable
43
Aacutecidos diluidos Buena
Alcalis Mala
Metales Mala
Aunque actualmente en dioacutexido de titanio (Tio2) presenta una actividad cataliacutetica soacutelida
alta estabilidad quiacutemica convirtieacutendolo en semiconductor maacutes empleado existe una serie de
inconvenientes sobre el semiconductor A continuacioacuten en la tabla 13 se mencionan las
ventajas y desventajas de dioacutexido de titanio en la aplicacioacuten de fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Vargas et al 2017)
Tabla 13
Ventajas y desventajas TiO2 Fuente (Vargas et al 2017)
Ventajas Desventajas
Alta estabilidad Fotoquiacutemica La raacutepida recombinacioacuten de pares de electroacuten
Ecoloacutegico en la produccioacuten H2 El banda limita el uso de tio2 en la regioacuten
visible
No toacutexico Un elevado sobrepotencial de H2 sobre la
superficie de TiO2 termina por inactivar el
fotocatalizador durante la produccioacuten H2
Alta estabilidad frente a la
fotocorrosioacuten
Abundante y barato
Produccioacuten faacutecil mediante
procedimientos quiacutemicos tal meacutetodo
gel
6215 Fotocataacutelisis heterogeacutenea y dioacutexido de titanio (TiO2))
Durante el desarrollo de la fotocataacutelisis heterogeacutenea se generan maacutes de un electroacuten desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten para esto es necesario que las partiacuteculas
fotodisociadas sean capaces de migrar hasta la superficie de las partiacuteculas de
44
semiconductor sin recombinarse (Rodriguez 2015) A continuacioacuten se presenta la
reaccioacuten del dioacutexido de titanio en el proceso de fotocataacutelisis (Reyes 2013)
TiO2+hvrarrh+vb+e-cb
h+vb+Ti+4OHrarr|Ti+4OH|+
e-cb+Ti+4OHharr|Ti+OH|
e-cb+Ti+4rarrTi+3
e-cb+|Ti+4OH|+rarrTi+4OH
h+vb+|Ti+3OH|rarrTi+4OH
|Ti+4OH|+RedrarrTi+4OH+Red+
e-tr+OxrarrTi+4OH+OX+
El semiconductor maacutes empleado en el Degussa con una composicioacuten de anatasa y rutilo-
con un aacuterea superficial de unos 50m2g (Pavas 2011)Los valores de este
semiconductor estos son aacuterea superficial baja (50 m2g-1) pH 65 y tamantildeo de partiacutecula de
30 microm (Quintero et al 2017)
45
Figura 4 Formas minerales de encontrar el dioacutexido de titanio (TiO2) (Garciacutea 2016)
6216 Radiacioacuten Ultravioleta (Uv) en la fotocataacutelisis heterogeacutenea
En los procesos fotocataliacuteticos se han utilizado tradicionalmente laacutemparas de mercurio y
Zenoacuten para generar la longitud de onda necesaria para que se deacute el proceso de activacioacuten
del semiconductor y se acelere la reaccioacuten de oxidacioacuten para degradar el contaminante
(Soacutemer 2019) Esta clase de laacutemparas estaacuten basadas en impulsar electrones a traveacutes de un
gas por medio de una diferencia de potencial entre dos electrodos (Sabaleta 2012)
Por otro lado se encuentra la radiacioacuten solar este tipo de radiacioacuten es importante dentro
de la fotocataacutelisis heterogeacutenea cuando se pretenden construir fotoreactores que permitan
utilizar este tipo de radiacioacuten para lograr la degradacioacuten de contaminantes (Cuevas 2011)
En un estudio experimental sobre la aplicacioacuten de la radiacioacuten solar en el proceso de
fotocataacutelisis heterogeacutenea empleando como catalizador dioacutexido de titanio para degradar el
contaminante aacutecido dicloroaceacutetico (DCA) con un reactor de placa plana a escala piloto se
lograraacuten porcentajes de remocioacuten entre el 60 y 90 mostrando la eficiencia de emplear
la fotocataacutelisis solar en el proceso (Arce et al 2019)
46
6217 Reactores fotocataliticos
Para seleccionar el reactor fotocatalitico es muy importante que este sea funcional al proceso de
degradacioacuten que se desea obtener ya debe de permitir que se deacute la adecuada degradacioacuten del
contaminante (Molina et l 2016)
Igualmente es importante tener en cuenta los paraacutemetros para la seleccioacuten del reactor se
encuentran la radiacioacuten Ultravioleta (UV) fotocalizador flujo del efluente y alimentacioacuten de
oxigeno ya que permiten mejorar la eficiencia del tratamiento (Montalvaacuten et al 2019)
Por otro lado es importante definir la configuracioacuten del reactor en relacion a la forma de
contener el catalizador ya que los reactores pueden contener los catalizadores de forma fija
o suspendida la eleccion depende del tipo de catalisis que desee realizar y el reactor a
emplear en el proceso (Arvizu 2017)
Figura 6 Catalizador fijo y suspendido Fuente(Arvizu 2017)
A continuacioacuten en la Figura 7 se clasifican los reactores (Perez 2016)
47
Figura 7 Clasificacioacuten de los reactores Fuente(Peacuterez 2016)
A continuacioacuten se mencionan algunos de reactores maacutes empleados en la fotocatalisis
heterogenea
62171 Reactor de lecho fijo
Estan compuestos por uno o mas materiales empacadados con las particulas en posicion
estas varian de tamantildeano y forma (Sabaleta 2012) Estos funcionan en forma vertical y con
la capacidad de tratar grandes cantidades de fluido contaminados muy comunes para las
reacciones fotocataliticas ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para
que la reaccioacuten se produzca de manera (Quintero 2017)
Dentro de sus desventajas esta que cuando se trabaja con fotocatalizadores presentan
limitaciones como una baja area superficial y poca trasnferecia de masa necesatando mas
irradacioacuten en comparacion con los procesos donde se trabaja con el catalizador en suspensioacuten
o en un lecho fijo (Soacutemer 2019) Dentro de sus principales incovenientes para su aplicacioacuten
esta que no hay una raacutepida neutralizacioacuten del contaminante (Asensio 2017)
48
62172 Reactor de lecho fluidizado
Posee excelentes propiedades de transporte transferencia de calor y de masa en donde la
fluidizacioacuten se genera a traveacutes del lecho conformado por partiacuteculas soacutelidas y razoacuten de que el
flujo incrementa las partiacuteculas se elevan ligeramente dejando de estar en contacto unas con
otras logrando un efecto final de mezcla donde favorece el contacto entre las fases presentes
generando en el sistema reaccionante alta conversioacuten y eficiencia (Perez 2016)
62173 Reactores solares
Estos pueden tener el catalizador de manera soportada y en suspensioacuten dentro del proceso
es muy importante que haya contacto del catalizar y del reactivo asi como tambien de lograr
una elevada exposicioacuten a la luz solar la principal caracteristica de los reactores solares en si
se utiliza la luz con concentracioacuten o sin concentracioacuten (Soacutemer 2019)
Dentro de los reactores solares existen dos sistemas aquellos con concentracioacuten en donde
la luz se concentra en el reactor empleando superficies reflectantes y sistemas de seguimiento
solar y sistemas sin concentracioacuten estos captan la radiacioacuten directa y difusa cuando se trata
de procesos fotocataliticos estos se hacen mas viables respecto a los reactores solares que
utilizan la luz con concentracion debibo a que son componente son mas simples economicos
y estan disponibles para su compra (Mejiacutea 2014) A continacioacuten se mencionan los de
reactores mas utilizados en el tratamiento de agua sin concentracioacuten
Placa plana o cascada Constan de una placa inclinada hacia el Sol y el agua a tratar
fluye sobre ella con exposicioacuten del agua a la atmoacutesfera (Mejiacutea 2014)
49
Figura 8 Reactor de placa plana o cascada Fuente (Traacutensito 2011)
Placa plana hueca Consiste en dos o maacutes placas de material transparente a la radiacioacuten UV
entre las cuales fluye el agua a tratar (Mejiacutea 2014)
Figura 5 Reactor de plana hueca Fuente (Traacutensito 2011)
Tubulares Consisten en un arreglo de tubos de material transparente a la radiacioacuten UV
a traveacutes de los cuales fluye el agua a tratar Son una excelente opcioacuten debido a que los
sistemas tubulares soportan mejor las presiones y que la posibilidad de fugas disminuye
ademaacutes de que existe comercialmente una amplia gama de accesorios para realizar las
conexiones y asiacute estructurar el reactor (Mejiacutea 2014)
50
Figura 6 Reactor tubular Fuente (Traacutensito 2011)
Reactores parabolicos cilindricos Sistemas fijos con una superficie reflectante la cual
esta dirigida hacia el reactor cilindrico debido a su superficie reflectante la gran parte de la
radiacioacuten que llega al area de apertura es recibida para llevar a cabo el proceso de fotocalisis
en el reactor (Sabaleta 2012) Una sus ventajas en comparacioacuten a otros reactores es que no
necesita refrigeracioacuten por que el agua no se sobrecaliente de forma considerable (Soacutemer
2019)
En un estudio relizado por Transito (2011) para tratar el carbilo el cual es un insecticida
perteneciente al grupo quiacutemico de los carbamatos que al igual que el inseticida Metomil
inhibe la acetilcolinesterasa y pertenece al grupo quiacutemico de los carbamatos realizaron la
implementacioacuten de un reactor parabolico El porcentaje de degracioacuten que se del contaminate
fue de 70 A continuacioacuten en la Tabla 14 se muestran las prinicipales caracteristicas de
disentildeo
51
Tabla 14
Caracteriacutesticas de disentildeo de reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto utilizado en el
estudio Fuente (Transito 2011)
Tipo de reactor Ciliacutendrico compuesto paraboacutelico
Volumen de trabajo 6 L
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con
TiO2
Catalizador TiO2 inmovilizado
Concentracioacuten de
TiO2
0411 mgL
Contaminante Carbarilo
Concentracioacuten del
contaminante
50 mgL
Concentracioacuten solar 2 soles
Aacuterea de apertura 1 m2
Aditivo oxidante Peroacutexido de hidrogeno (H2O2)
Temperatura 25-40degC
pH 45-68
Oxiacutegeno disuelto 64 MgL
Flujo 0285 min
Figura 7 Foto reactor ciliacutendrico paraboacutelico compuesto Fuente(Transito 2011)
52
Figura 8 Soporte para el reactor Fuente(Transito 2011)
53
7 CAPITULO III ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MEDIANTE FOTOCATAacuteLISIS HETEROGEacuteNEA EN LOS
CULTIVOS DE AGUACATE DEL MUNICIPIO DE URRAO
Para plantear la alternativa primeramente se elabora un aacuterbol de problemas propuesto
en la ldquoMetodologiacutea para la elaboracioacuten de estrategias de desarrollo localrdquo del Instituto
Latinoamericano y del Caribe de Planificacioacuten Econoacutemica y Social (ILPES) por medio del
cual se identifican causas y efectos de un determinado problema lo que conlleva a la
seleccioacuten de la alternativa que en este caso la contaminacioacuten del recurso hiacutedrico en el
Municipio de Urrao a causa del insecticida Metomil esto permite identificar las alternativas
de solucioacuten Ver Figura 13
Figura 9 Aacuterbol de problemas para identificar las causas y establecer la alternativa
Fuente(Elaboracioacuten propia)
54
En consecuencia con el aacuterbol de problemas se presenta una alternativa para la
contaminacioacuten en base a la revisioacuten de documentos realizada sobre fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales generadas en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao
71 Alternativa de tratamiento por fotocataacutelisis heterogeacutenea
Teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis heterogeacutenea ha sido aplica antes en proyectos
polito para tratar las aguas contaminadas con insecticida Se seleccionaraacuten los equipos
reactivos y materiales necesarios para tratar las aguas contaminadas con Metomil de los
cultivos de aguacate en el Municipio de Urrao
A continuacioacuten se describen los materiales equipos y reactivos a emplear en el tratamiento
del agua
Conduccioacuten del agua del cultivo Se hace mediante una tuberiacutea PVC de frac12 In que lleva el
agua desde el lugar donde preparan las mezclas del insecticida Metomil hasta el filtro de
carboacuten activado
Filtro de carboacuten activado Este compuesto con gravilla y carboacuten activado distribuidos de
manera que el carboacuten activado ocupada dos partes de la caneca la gravilla ocupa otra parte
y la uacuteltima parte es el espacio disponible para que el agua Es importante aclarar que este
filtro lo poseen varias fincas del Municipio de Urrao que estaacuten en proceso para sacar el
registro el ICA
55
Figura 10 Filtro cultivos de aguacate Fuente(Elaboracioacuten propia)
Tanque de almacenamiento Despueacutes de pasar por el filtro el agua es conducida al tanque
de almacenamiento este tiene una capacidad de 200 litros a continuacioacuten en la Tabla 15 se
presenta las especificaciones del tanque
Tabla 15
Especificaciones del tanque de almacenamiento Fuente(Elaboracioacuten propia)
LUGAR DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA
Capacidad de almacenamiento 200 L
Material Plaacutestico
56
Reactor El tipo de reactor seleccionado para la alternativa de tratamiento es un reactor
solar integrado con un caudal de operacioacuten de 18 lm no es necesario un sistema de
refrigeracioacuten o aislado teacutermico ya que la temperatura en este reactor no aumenta la
velocidad de la reaccioacuten El incremento de la temperatura no aumenta la velocidad de la
degradacioacuten foto cataliacutetica por lo que no es necesario colocar alguacuten tipo de aislamiento
teacutermico al reactor La temperatura de operacioacuten es de 25 a 45 ordmC (Transito 2011) En la
tabla 16 se describen las propiedades del reactor
Tabla 16
Descripcioacuten de las caracteriacutesticas del reactor seleccionado Fuente (Transito 2011)
Componente Caracteriacutestica
Tipo de tecnologiacutea Fotocataacutelisis heterogeacutenea con TiO2
Volumen de capacidad 60 Litros
Aacutereas de apertura 768 m2
Fuente Ultavioleta Uv Radiacioacuten solar
Temperatura de operacioacuten 25-50 degC
pH 4-8
Flujo Turbulento
Intensidad de radiacioacuten 45 Wm2 radiacioacuten Ultravioleta
Figura 11 Reactor FH-CPC-2x fabricado en el CIE-UNAM Fuente(Transito 2011)
57
Semiconductor Es semiconductor seleccionado para tratar las aguas contaminadas con
Metomil en el Municipio de Urrao es el Dioacutexido de Titanio ya que este es uno de los
empleados en el tratamiento fotocataliacutetico de aguas contaminadas con pesticidas debido a
su estabilidad en el proceso A continuacioacuten se presenta el Dioacutexido de titano
Tabla 17
Caracteriacutesticas del dioacutexido de titanio Degussa 25 Fuente(Rodriacuteguez 2015)
caracteriacutesticas Unidades de medida
Aacuterea superficial 50 m2gL
Tamantildeo de la partiacutecula microm
pH 65
Oxidante Se emplearaacute el peroacutexido de hidrogeno H2O2 como agente oxidante el cual tiene
un potencial de oxidacioacuten y es el recomendado para los procesos de fotocataacutelisis
heterogeacutenea
Tabla 18
Especificaciones del peroacutexido de hidrogeno Fuente (Rodriacuteguez 2015)
Iacutetem Especificacioacuten
Nombre quiacutemico Peroacutexido de hidrogeno
Foacutermula quiacutemica H2O2
CAS 7772-84-1
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Como se mencionoacute anteriormente en el marco teoacuterico
existen unas variables que pueden influir en el proceso de tratamiento de aguas por lo
tanto estas deben de ser monitoreadas En la tala se muestran la descripcioacuten del equipo
analiacutetico
58
Tabla 19
Descripcioacuten del equipo analiacutetico Fuente(Transito 2011)
Equipo Paraacutemetro
Sensor de pH Es recomendable que el pH sea acido
Medidor de temperatura Rangos de 20 degC a 80 degC
Radioacutemetro Para verificar la longitud de onda es viable que este entre 300
a 400 nm
Espeto
fotoacutemetro
Para medir el contaminante antes y despueacutes del tratamiento
Figura 12 Esquema sistema de tratamiento de aguas por medio de la fotocataacutelisis
heterogeacutenea Fuente(Elaboracioacuten propia)
59
Tabla 20
Descripcioacuten del esquema de tratamiento anterior
Siacutembolo Descripcioacuten
A1 Tanque con filtro de carboacuten activado
A2 Tanque de almacenamiento
A3 Tanque de almacenamiento para
realizar vertimiento o
aprovechamiento del agua tratada
V1-V2-V3 Vaacutelvulas
T1-T2-T3 Tuberiacuteas
FR Fotoreactor
TD Tuberiacutea de desaguumle
En cuanto a la operacioacuten del sistema de fotocataacutelisis solar empleando el reactor FH-
CPC-2x el agua contaminada pasa por un filtro de carboacuten activado en cual estaacute en una
caneca de almacenamiento de 100 litros despueacutes es agua es vertida a un tanque de
almacenamiento que tiene la capacidad de almacenar 200 litros en este lugar se antildeade el
peroacutexido de hidrogeno al agua a tratar el cual actuara como agente oxidante cuando la
mezcla este homogeacutenea se conduce el agua hacia el colector solar tubular en donde esta
circula por tubos entrando en contacto con dioacutexido de titanio y la radiacioacuten solar dando
lugar a la degradacioacuten del insecticida Metomil
Agua contaminada con el insecticida
Metomil
Adicioacuten del oxidante peroacutexido de
hidrogeno
60
Las cantidades de reactivos a agregar se determinaraacuten a nivel de laboratorio para
conocer las concentraciones adecuadas para tratar las aguas contaminadas por tanto las
pruebas de laboratorio son la primera fase y la implementacioacuten de la alternativa la segunda
Con esta alternativa se esperar minimizar los impactos ocasionados al medio ambiente y
a la salud humana por la aplicacioacuten del insecticida Metomil buscando contribuir a la
aplicacioacuten de tecnologiacuteas sostenibles para tratamientos de aguas contaminadas con
insecticidas en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao
Monitoreo de la concentracioacuten del
insecticida Metomil
Agua tratada realizar vertimiento
61
8 DISCUSIOacuteN
A continuacioacuten se presenta la discusioacuten de los resultados de la buacutesqueda de informacioacuten
bibliograacutefica realizada en el desarrollo del proyecto
Los procesos de oxidacioacuten avanzada descriptos en el segundo capiacutetulo permitieron
seleccionar el proceso para tratar las aguas contaminadas en el Municipio de Urrao
provenientes de los cultivos de aguacate estos procesos poseen diversas aplicaciones en
diferentes sectores econoacutemicos pero con una gran desventaja ya que implican personal
altamente calificado y requieren grandes inversiones econoacutemicas para la implementacioacuten
del tratamiento (Campo et al 2013) Por tanto no son aplicados comumente para tratar
aguas contaminadas a pesar de ser la tecnologia maacutes adecuada para eliminar contaminantes
de estruturas quiacutemicas complejas (Jimenez 2014)
Con base a la informacioacuten anterior se selecciona la fotocatalisis heterogenea para el
tratamiento de las aguas contaminadas con el insecticida Metomil se investigaron varios
documentos que presentan tratamientos en base a la fotocataacutelisis heterogeacutenea (Arboleda
2016) Mostrando que este meacutetodo era es maacutes aplicado en la actualidad para el tratamiento
de las aguas contaminadas con pesticidas ademaacutes de que en comparacioacuten con los otros
tratamientos era econoacutemicamente viable para implementar en los cultivos de aguacate del
Municipio de Urrao (Medina 2019)
Un estudio realizado para desarrollar un sistema de tratamiento de aguas residuales
contaminadas con un insecticida del grupo carbamato mediante la implementacioacuten de una
planta fotocataliacutetica arrojo que la fotocataacutelisis heterogeacutenea es el proceso maacutes eficiente para
eliminar los contaminantes de las aguas contaminadas con el insecticida altamente toacutexicos
62
logrando altos porcentajes de degradacioacuten (Traacutensito 2011) Para que el proceso de
degradacioacuten del contaminante sea posible todos los equipos y reactivos deben de estar
funcionando correctamente ya que si uno estaacute en mal estado o estaacute realizando el proceso
inadecuadamente la degradacioacuten se veraacute afectada de ahiacute que su operacioacuten es compleja y
costosa ademaacutes el proceso implica realizar monitoreo constantes a la calidad de agua
(Davila 2015)Por lo anterior se han encontrado tratamientos en donde los proceso no se
realizan adecuadamente originando contaminantes maacutes toacutexicos durante el tratamiento
(Gaete et al 2013)
Debido a la informacioacuten anterior se selecciono para el proyecto un sistema de
fotocatalisis mediante la aplicacioacuten de radiacioacuten solar y un fotoreactor tubular ya que no
implica para su manejo mano de obra altamente calificada ademas la fuente de iluminacioacuten
sera natural lo que no implica costos elevados para su implementacioacuten y debido a longitud
de radiacioacuten en la regioacuten andina se adpata adecuamente en el Municipio de Urrao
63
9 CONCLUSIONES
La utilizacioacuten del insecticida Metomil en las actividades agriacutecolas constituye uno de los
principales contaminantes para el medio ambiente ya que la composicioacuten quiacutemica del
insecticida lo clasifica como altamente toxico afectando a los ecosistemas y como un
componente que produce bioacumulacioacuten lo cual afecta negativamente la cadena troacutefica y
posteriormente a los seres humanos
Otro impacto a considerar por la utilizacioacuten del insecticida Metomil es la afectacioacuten a la
salud de los seres humanos ya que inhibe la enzima acetilcolinesterasa la cual regula los
impulsos del sistema nervioso la inhibicioacuten de la enzima hace que se genere un cuadro de
intoxicacioacuten dejando secuelas a mediano y largo plazo en salud de los seres humanos
Los procesos de oxidacioacuten avanzada poseen importantes ventajas para la degradacioacuten de
contaminantes que no son posible eliminar a traveacutes de tratamientos convencionales de agua
residuales se basan los procesos fiacutesicos quiacutemicos con la capacidad de producir cambios
significativos en la estructura quiacutemica del contaminante por tanto se constituyen como una
de las tecnologiacuteas maacutes adecuadas de tratamiento terciario de aguas residuales
Dentro de estos procesos de oxidacioacuten avanzada se encuentra la fotocataacutelisis heterogeacutenea
la cual ha sido ampliamente aplicada para tratar aguas contaminadas con pesticidas
logrando excelentes resultados como la mineralizacioacuten del contaminante sin generar
subproductos contaminantes durante el tratamiento
64
Por tanto la alternativa escogida para tratar las aguas contaminadas con el insecticida
Metomil en los cultivos de aguacate del Municipio de Urrao se basoacute en el principio de la
fotocataacutelisis heterogeacutenea seleccionando un reactor solar para lograr la fotocataacutelisis en el
sistema asiacute mismo se describe cada uno de los pasos a seguir desde que se inicia el proceso
de descontaminacioacuten hasta su vertimiento
La alternativa de tratamiento se seleccionoacute teniendo en cuenta que la fotocataacutelisis
heterogeacutenea que emplea la radiacioacuten solar para degradar contaminantes de insecticidas se
ha aplicado en varios estudios logrando excelentes resultados de degradacioacuten
Por uacuteltimo la buacutesqueda de informacioacuten permitioacute conocer a fondo la fotocataacutelisis
heterogeacutenea para tratar las aguas residuales y las afectaciones generadas por la toxicidad
del Metomil
65
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