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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIONES Y ESTUDIOS SOBRE MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO MAESTRÍA EN GESTIÓN Y AUDITORIAS AMBIENTALES EN CONVENIO COM LA FUNDACIÓN UNIVERSITARIA IBEROAMERICANA “ESTRATEGIA EN PLANTA PARA REDUCIR LA CONCENTRACIÓN DE FLÚOR EN AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA SIDERÚRGICA” TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRÍA PRESENTA ING. YURID ADRIANA RINCÓN LÓPEZ DIRIGIDA POR DR. PEDRO FRANCISCO RODRÍGUEZ ESPINOSA CIUDAD DE MÉXICO, JUNIO DE 2016

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIONES

Y ESTUDIOS SOBRE MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO

MAESTRÍA EN GESTIÓN Y AUDITORIAS AMBIENTALES

EN CONVENIO COM LA FUNDACIÓN UNIVERSITARIA IBEROAMERICANA

“ESTRATEGIA EN PLANTA PARA REDUCIR LA CONCENTRACIÓN DE FLÚOR

EN AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA SIDERÚRGICA”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRÍA PRESENTA

ING. YURID ADRIANA RINCÓN LÓPEZ

DIRIGIDA POR

DR. PEDRO FRANCISCO RODRÍGUEZ ESPINOSA

CIUDAD DE MÉXICO, JUNIO DE 2016

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I

Índice. .………………………………...………………………………………..... I

Resumen…………………………………………………………………………. V

Abstract…………………………………………………………………………... VI

Agradecimientos………………………………………………………………... VII

Dedicatoria……………………………………………………………………….. VIII

Capítulo I

1.1 Antecedentes……………………………………………………………….. 1

1.2 Antecedentes del entorno de la compañía en México y el

mundo………………………………………………………………………... 1

1.1.1 Fabricación de acero………………………………………………….. 3

1.3 Flúor…………………………………………………………………………... 5

1.3.1 Fluorosis………………………………………………………………... 6

1.3.2 Otros efectos sobre la salud........................................................... 7

1.3.2 Efectos sobre las plantas................................................................ 8

1.4 Planteamiento del problema............................................................... 8

1.5 Justificación................................................................. ......................... 10

1.6 Preguntas de investigación................................................................. 11

1.7 Objetivos............................................................................................... 12

1.7.1 Objetivo general............................................................................ 12

1.7.2 Objetivos específicos.................................................................... 12

1.8 Hipótesis................................................................................................ 12

1.9 Estudios previos.................................................................................. 13

1.9.1 Métodos de precipitación-floculación............................................. 13

1.9.2 Métodos de adsorción.................................................................... 15

1.9.3 Procesos de evaporación............................................................. 15

1.9.4 Procesos a base membranas....................................................... 16

1.10 Coagulantes y floculantes sintéticos ó industriales.......................... 16

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II

1.10.1 Coagulación................................................................................... 17

1.10.2 Floculación..................................................................................... 17

1.10.3 Principales coagulantes y floculantes inorgánicos, desventajas.... 17

1.10.11 Sulfato de aluminio....................................................................... 18

1.10.2.2 Cloruro férrico............................................................................. 18

1.10.2.3.3 Hidroxicloruro de aluminio (PACS).......................................... 19

1.10.2.4 Polielectrolitos............................................................................. 19

1.11 Coagulantes naturales, una alternativa a coagulantes sintéticos.... 20

1.11.1 Almidón................................................................. ........................ 21

1.112 Taninos............................................................... .......................... 21

1.11.3 Cactus............................................................... ........................... 22

1.11.4 Moringa oleifera............................................................................. 22

1.12 Piedra caliza (carbonato de calcio)..................................................... 26

Capítulo II

2.1 Metodología............................................................................................ 28

2.2 Identificación de variables...................................................................... 28

2.3 Materiales e infraestructura.................................................................... 30

2.3.1 Reactivos........................................................................................ 31

2.3.2 Preparación de semillas de Moringa oleifera.................................. 32

2.3.3 Preparación de caliza/CaCO3.......................................................... 34

2.4 Muestreo de aguas residuales.............................................................. 35

2.5 Determinación de flúor en aguas residuales........................................ 35

2.6 Prueba de jarras...................................................................................... 36

Capítulo III

3.1 Resultados.............................................................................................. 38

3.1.1 Comportamiento del flúor vs pH.................................................... 38

3.1.2 Resultados de prueba de jarras para determinar la efectividad de

las semillas Moringa oleifera................................................. 45

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III

3.1.3 Pruebas de remoción de flúor................................................... 50

3.1.4 Caracterización de muestras empleadas en pruebas antes de

remoción de flúor:........................................................................... 59

3.1.5 Caracterización de muestras empleadas en las pruebas

después de remoción de flúor......................................... 61

3.2 Conclusiones............................................................................................ 63

Bibliografía....................................................................................................... 66

Índice de figuras

Figura 1. Diagrama general del proceso de fabricación de acero................... 4

Figura 2 Diagrama general de investigación.................................................... 29

Figura 3. Árbol de Moringa oleifera y vainas de semilla................................. 33

Figura 4. Semillas secas y trituradas.............................................................. 34

Figura 5. Equipo de prueba de jarras.............................................................. 37

Índice de tablas

Tabla 1. Resumen de coagulantes naturales.................................................. 25

Tabla 2. Reactivos.......................................................................................... 32

Tabla 3. Condiciones iniciales de la muestra................................................. 45

Tabla 4. Resultados después de agregar el polvo de semilla de Moringa

oleifera............................................................................................ 46

Tabla 5. Resultados después de agregar solución de semillas al 1%............ 47

Tabla 6. Resultados después de agregar solución de semillas al 2%........... 48

Tabla 7. Resultados después de agregar solución de semillas al 3%........... 49

Índice de gráficas

Gráfica 1. Perfil de flúor en aguas residuales en colada continúa.............. 38

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IV

Gráfica 2. Perfil de pH en agua residual en colada continua...................... 39

Grafica 3. Perfil de flúor en agua residual en acería eléctrica.................... 33

Grafica 4. Perfil de pH en agua residual de acería eléctrica....................... 41

Gráfica 5. Perfil de flúor en agua residual de reducción directa 1................. 42

Gráfica 6. Perfil de pH en agua residual de reducción directa 1.................... 42

Grafica 7. Perfil de flúor en agua residual de reducción directa 2.............. 43

Gráfica 8. Perfil de pH en agua residual de reducción directa 2................. 44

Gráfica 9: Remoción de flúor empleando una solución sintética 501

concentración 10 mg/l................................................................................ 50

Gráfica 10: Remoción de flúor empleando una solución sintética 501

concentración 30 mg/l.................................................................................. 51

Gráfica 11: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como

absorbente a 1200 rpm. ............................................................................. 53

Gráfica 12: Remoción de flúor vs pH empleando carbonato de calcio como

absorbente a 1200 rpm............................................................................ 54

Gráfica 13: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm............................................................................... 55

Gráfica 14: Remoción de flúor vs pH empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm. ..................................................................... 56

Gráfica 15: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm................................................................................ 57

Gráfica 16: Remoción de flúor vs pH empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm........................................................................ 58

Gráfica 17: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm............................................................................... 59

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V

RESUMEN:

El presente trabajo contiene los resultados de la reducción de flúor en agua

residual generada en las áreas operativas de una industria siderúrgica, de una

concentración inicial de 9.7 mg/l hasta 1.3 mg/l, obteniendo una reducción entre

el 50 y 87%.

Esto fue posible mediante el monitoreo continuo, para obtener un perfil de

concentración de flúor e identificación de variables vulnerables involucradas en

el agua residual, como el pH y sólidos suspendidos, después al tener esta

información mediante pruebas de remoción con calcio se determinó el compuesto

de carbonato de calcio como mejor opción para reducir del contenido de flúor.

También contiene los resultados del uso del coagulante natural de Moringa

oleifera empleada para controlar los sólidos coloidales presentes en el agua

residual, obteniendo una reducción de turbidez de 635 NTU hasta 56 NTU es

decir una reducción del 91%.

También contiene el impacto del uso del carbonato de calcio en el tratamiento del

agua residual, para esto se realizó una caracterización del agua residual previa

al uso de carbonato de calcio para reducción del flúor y posterior a su empleo

para el tratamiento, esta caracterización tiene como base los parámetros de

control de calidad en listados en la NOM-001-SEMARNAT-1996.

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VI

ABSTRACT

The present investigation contains the results of fluoride reduction in wastewater

generated in operational areas of a Steel industry, with an initial concentration of

9.7mg/L, to 1.3 mg/L, obtaining a reduction between 50 to 87%.

This was achieved through continuous monitoring in order to obtain a fluorine

concentration profile and the identification of vulnerable variables involved in

wastewater, such as pH and suspended solids. Once this information was

acquired, and through several remottion tests with calcium, the calcium carbonate

compound was determined as the best option to reduce the fluoride content.

This thesis also contains the results of using a natural coagulant, Moringa oleifera,

to control colloidal solids in wastewater, obtaining an effective turbidity reduction

from 635 NTU to 56 NTU (91%).

Eventually, the present paper describes the impact of using calcium carbonate in

wastewater treatment. For this, a wastewater analysis was performed before and

after the calcium carbonate use for fluorine reduction in the water. This

characterization is based on the quality control parameters listed in NOM-001-

SEMARNAT-1996

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VII

Agradecimientos

Primero quiero agradecer a mis dos asesores, Dra. Liliana Marín García por

haber sido la primera en confiar en mí al iniciar este proyecto y Dr. Pedro

Francisco Rodríguez Espinosa por guiarme hasta culminar la realización de esta

investigación.

A mis profesores del CIIEMAD quienes respondieron a mis dudas durante el

estudio de cada asignatura.

A mi compañera de trabajo y asesora MCTC Dulce María de los Ángeles Cortes

Paredes por sus consejos durante todo este tiempo tanto en el trabajo como en

los estudios.

También quiero agradecer al personal de La compañía por permitirme realizar

esta investigación y permitir emplear los equipos y reactivos del Laboratorio de

Control de Calidad Ambiental propiedad de La Compañía, al Lic. Alberto Vargas

González e Ing. Gustavo Pérez G.

A Eder por ayudarme a asistir a las comités tutoriales, gracias compañero.

Al Ing. Armando Aceves por permitirme utilizar sus equipo y reactivos de

laboratorio, que fueron indispensables para realizar esta investigación.

A Xóchitl, Mari, Juanita y Romelia por ayudarme a cosechar semillas por toda la

ciudad.

A Dios por darme salud y paciencia para realizar este proyecto durante todo este

tiempo.

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VIII

Dedicatoria

A mí madre, la mujer más fuerte y valiente que he conocido, que siempre ha

estado junto a mi apoyándome en cada paso de mi vida, a mi padre quien dejo a

un lado sus sueños para que sus hijas cumplieran los suyos.

A mis hermanas Berenice y Nayzeth por siempre estar listas para discutir pero

sobre todo para apoyarnos siempre que es necesario, sin ustedes sería muy

aburrida la vida.

A mi cuñado José gracias por unirte a nuestra familia.

A José Adalberto mi pequeño Bodoque, mi Raj gracias por llegar a nuestras vidas,

tus risas, tus llantos, tus travesuras y ocurrencias llenan de alegría a nuestra

familia.

A mis abuelos Antonio y María de la Luz, quienes nos cuidan desde el cielo.

A mis amigos Dany, Ángel, Mónica, Eder, Xóchitl, quienes todos los días soportan

mi neurosis cuando las cosas se complican.

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1

CAPITULO I

1.1 Antecedentes

El flúor tiene un amplio mercado de aplicación, la forma de consumo mas

empleada es como fluorita o espato-flúor, una de las principales industrias

consumidoras de fluorita o espato-flúor es la industria de hierro y acero. El flúor

se emplea en esta industria por sus propiedades fundentes, para disminuir la

viscosidad de la escoria, que se produce durante la fabricación del acero, de

modo que se facilite su eliminación y se incremente la eficacia del proceso

productivo y como lubricante en los moldes para el acero.

A través de la Cámara Nacional del Acero (CANACERO, 1990) se reconoce que

los contaminantes principales que aporta la industria siderúrgica son: siguientes:

Sólidos Suspendidos Totales (SST), Sólidos Sedimentables, Demanda Química

de Oxígeno (DQO), Flúor (F-), Hierro (Fe), Sulfuros y N-Nitrógeno Amoniacal (N-

NH3).

1.2 Antecedentes del entorno de la compañía en México y el mundo

La empresa siderúrgica donde se desarrolla el proyecto la llamaremos

simplemente “La Compañía”, esta pertenece a un grupo trasnacional que es el

mayor productor de acero a nivel mundial, con una plantilla de más de 310,000

empleados en más de 60 países.

El grupo trasnacional ocupa una posición de liderazgo, registró en 2010 una

producción de 98.2 millones de toneladas, equivalente a 6.9 % de la producción

global, y entre los mercados destino del acero dispone de una destacada

posición en materia de investigación, desarrollo y tecnología, así como de

recursos propios de materias primas y excelentes redes de distribución.

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2

A nivel nacional, en México cinco marcas producen el 85% de acero nacional. De

éste, La Compañía es el único exportador de planchones de acero, producto

semiterminado de acero de sección transversal rectangular con un área no menor

a 10.300 mm2, del cual produce el 24% de este tipo de acero nivel mundial.

Emplea Hierro de Reducción Directa, DRI por sus iniciales en inglés, como

entrada metálica principal para la fabricación de acero, este proceso resulta en

planchones de mayor calidad con una estructura de grano uniforme y acabado

superior. La tecnología de la compañía, junto con la metalurgia secundaria, las

instalaciones de desgasificación al vacío, permiten producir una amplia variedad

de grados de acero, con una amplia variedad de aplicaciones, en la industria

automotriz, electrodomésticos, tubos de conducción, placas para recipientes a

presión, placas resistentes a la corrosión para la construcción naval, así como

materiales para la construcción.

La Compañía tiene una capacidad de 3.8 millones de toneladas gracias a que

cuenta con:

- Planta de peletizado con capacidad de 4 millones de toneladas al año

- Dos plantas de reducción directa

- Cuatro hornos de arco eléctrico y dos hornos olla con capacidad de 5.3

millones de toneladas al año

- Dos máquinas de colada continua

- Una planta generadora de energía eléctrica

- Una planta productora de oxígeno

- Una planta de tratamiento de aguas

- Una planta de producción de cal

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3

1.2.1 Fabricación de acero.

El acero se produce en dos fases la primera inicia con los finos de mineral,

dolomita, mineral de hierro, bentonita, coque y cal se aglomeran en la planta de

peletizado, el producto son bolas de mineral llamadas pellet.

El pellet es enviado a las plantas de reducción directa 01 y 02 para obtener fierro

esponja o hierro de reducción directa, DRI, después se carga en los hornos

eléctricos de arco donde se obtiene el acero líquido.

La segunda fase, la acería, tiene como objetivo reducir el alto contenido de

carbono introducido al fundir el mineral y eliminar las impurezas tales como

azufre, fósforo y se incorporan las ferroaleaciones, para producir el tipo de acero

demandado y es en esta etapa donde tiene el mayor consumo de flúor empleado

como fundente.

Una vez obteniendo el grado de acero específico es enviado a las instalaciones

de colada continua para su solidificación, obteniéndose los planchones de acero,

y justo en esta etapa se produce el mayor aporte de flúor como contaminante al

agua residual, debido a su empleo como polvo aislante en moldes de colada

continua.

Existen tres tipos de instalaciones dedicadas a producir piezas de acero fundidas

muy grandes o laminados de acero:

- Plantas integrales

- Acerías especializadas

- Laminadoras

La Compañía es de tipo integral, es decir, es una planta que tiene todas las

instalaciones necesarias para la producción de acero en diferentes

presentaciones, desde productos semiterminados como, planchones y

palanquillas, o productos terminados como son varilla y alambrón.

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4

Figura 1, Diagrama general del proceso de fabricación de acero

Fuente: Enciclopedia de salud y seguridad en el trabajo, 2012

En la actualidad en México no existe legislación vigente que regule la cantidad

de flúor en las descargas de agua residual a menos que el título de concesión

para descarga de aguas residuales así lo indique. Este permiso es otorgado por

la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) donde establece el caudal máximo

a descargar de aguas residuales así como las condiciones físico-químicas de

contaminantes de la descarga de agua residuales. A pesar de que el flúor no es

un parámetro normado en nuestro país, México de manera voluntaria, ha

adquirido compromisos internacionales de protección al medio ambiente por

ejemplo (Trejo y Moreno , 2007):

- Convenio sobre la Prevención de la Contaminación del Mar por

Vertimiento de Desechos y otras Materias, firmado el 29 de diciembre de

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5

1972 entre México, Estados Unidos, Reino Unido y la entonces URSS-

Federación de Rusia,

- Tratado de Estocolmo,

- Ley de Crímenes Ambientales,

- Agenda 21 y

- Protocolo de Kioto.

Todos estos acuerdos tienen como objetivo, proteger, restaurar y garantizar la

existencia de los recursos naturales para generaciones presentes y futuras.

1.3 Flúor

Hablando específicamente del flúor en el agua residual, el flúor o los fluoruros se

asocian con varios elementos presentes en ésta, principalmente con aluminio en

agua dulce y con calcio y magnesio en agua de mar; de esta forma se depositan

en el sedimento en donde se adhieren fuertemente a otras partículas que están

presentes en estos medios (ATSDR, 2016). Cuando se depositan en el suelo, los

fluoruros son retenidos firmemente por éste, formando fuertes asociaciones con

los componentes del suelo (ATSDR, 2016). El movimiento del agua a través del

suelo remueve solamente una pequeña cantidad de fluoruros. Estos fluoruros

pueden ser incorporados y acumulados por las plantas o pueden depositarse en

forma de polvo en las partes altas de las plantas. La cantidad de fluoruro

incorporado por las plantas depende de la especie vegetal, la naturaleza del suelo

y de la cantidad y la forma de fluoruros presentes. Se sabe que, por ejemplo, las

plantas de té acumulan fluoruro en las hojas (ATSDR, 2016). Los animales que

comen plantas que contienen fluoruro pueden acumular estos iones.

Aislado por primera vez en 1986 por Henri Moissan, el flúor número atómico 9, a

temperatura ambiente es un gas de color amarillo pálido, pertenece a la familia

de los halógenos, es el elemento más electronegativo, reacciona con facilidad

con elementos como el azufre, yodo, fósforo, bromo, la mayor parte de los

metales, y prácticamente con todas las sustancias orgánicas e inorgánicas.

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6

Debido a su alta reactividad, no se encuentra en la naturaleza de forma pura, la

forma más abundante de encontrarlo es a través de sus tres minerales más

importantes la fluorita (CaF2), el fluorapatito (Ca5(PO4)3F) y la criolita (Na3AlF6).

El flúor como fluoruros representa entre 0.06 a 0.09% de la corteza terrestre

(Fawell, 2006).

Los compuestos de flúor son ampliamente usados en la industria en diversas

aplicaciones, su desarrollo a nivel industrial creció durante la Segunda Guerra

Mundial con el uso de hexafloruro de uranio para la obtención de uranio

enriquecido empleado para la fabricación de la bomba atómica, con esto se

demostró su potencial comercial. Actualmente entre sus usos más comunes se

encuentra:

- la adición de compuestos de flúor a los dentífricos y agua potable para

prevención de caries

- los revestimientos de teflón que es resistente a reacciones químicas

- los revestimientos en utensilios de cocina

- hidrocarburos fluorados, aceites, que son muy estables y resistentes a

altas temperaturas

- en la industria de los semiconductores, en la fabricación de pantallas de

plasma

- en la industria de la refrigeración y aerosoles, su uso se encuentra

prohibido por su efecto negativo sobre la capa de ozono

- la generación de energía nuclear aún se emplea hexafloruro de uranio

1.3.1 Fluorosis

El impacto del flúor sobre las personas puede ser de dos tipos, el primero positivo

al tener efectos sobre el combate a las caries desde temprana edad en los niños,

y el segunda negativo, dado que incluso a concentraciones relativamente bajas

en el agua puede tener efectos negativos sobre la salud de los consumidores.

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7

Entre los efectos negativos asociados al consumo de flúor se encuentran la

fluorosis dental y esquelética.

La fluorosis dental consiste en la hipomineralización del esmalte dental y la

porosidad superficial del esmalte, el efecto de la fluorosis dental varía desde el

punto de vista cosmético como una simple tinción marcada hasta picaduras y

erosiones de los dientes. La fluorosis solo se produce cuando los dientes se están

desarrollando debajo de las encías es decir solo afecta a los niños que son

expuestos hasta la edad de 8 años, los adultos que no han sido expuestos en su

infancia no desarrollan fluorosis dental, (Fawell, Bailey, Chilton, Dahi, Fewtrell,

Magara, 2006).

La fluorosis esquelética es una enfermedad causada por la acumulación excesiva

de flúor en los huesos, en las primeras etapas los pacientes no presentan

síntomas, en la etapa avanzada los pacientes experimentan dolores en las

articulaciones, sensaciones de ardor, hormigueos en extremidades, debilidad

muscular, fatiga crónica, trastornos gastrointestinales, pérdida de apetito, dolores

en las los huesos, presentan una estructura más prominente, algunos ligamentos

comienzan a calcificarse, la osteoporosis puede ocurrir en los huesos largos y los

primeros síntomas de osteosclerosis, condición en la cual los huesos se vuelven

más densos y tienen una estructura cristalina, pueden también aparecer

espolones óseos, también huesos en las extremidades, alrededor de la rodilla y

el codo, las extremidades se vuelven más débiles y las vertebras se unen

parcialmente, paralizando al paciente, (Fawell, 2006).

1.3.2 Otros efectos sobre la salud

Estudios sobre efectos del flúor en la salud sugieren un efecto neurotóxico, un

estudio realizado en China en ratas de laboratorio, despues de un año de

exposición los participantes presentaron alteraciones morfológicas en el cerebro

y aumento de los niveles de aluminio en el tejido cerebal, tambéin mostraron

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8

disminución en la inteligencia, en comparación los organismos de control, (Choi,

Sun, Zhang, & Grandjean, 2012)

1.3.3 Efectos sobre las plantas

La mayoría de las plantas tienen limitada capacidad para absorber fluoruros del

suelo incluso cuando se aplican fertilizantes que los contienen, el transporte de

flúor desde las raíces está limitado en la mayoría de las especies, la

manifestación de la afectación en las plantas dependerá sí es planta de hojas

largas y estrechas, monocotiledóneas, o sí se trata de una planta de hojas anchas,

tiledonéas, en las primeras, la lesión se manifiesta en los extremos de la hoja,

estas se vuelven pardos y necróticos, presentan un ribete pardo rojizo que define

la parte lesionada y la sana; en la segunda, la necrosis esta inicialmente

confinada en los márgenes de las hojas, también la zona afectada puede

desprenderse, en el caso de los frutos estos pueden presentar una parte blanda,

(Parker, 2006).

1.4 Planteamiento del problema

Por indicación de la dirección general de La Compañía, se inició el monitoreo de

flúor total en las descargas internas de aguas residuales provenientes de las

distintas áreas operativas, se encontraron concentraciones variadas. Las

concentraciones más altas se presenta en áreas operativas cómo son las plantas

de reducción directa I y II, área de acería eléctrica y área de colada continua. En

éstas se presenta de manera recurrente, en los monitoreos realizados cada

semana, se encuentran concentraciones de flúor superiores a 1 mg/l, teniendo

en ocasiones se tienen valores de 10 de mg/l.

Dentro del territorio nacional el flúor no se encuentra regulado por la NOM-001-

SEMARNAT-1996, a diferencia de varios países europeos donde se mantienen

una vigilancia sobre este contamínate en el agua residual, pero el que carezca

de regulación en nuestro país no significa que se ignora el problema. Las áreas

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operativas por su parte tratan de controlar el consumo de los insumos que

contienen flúor, como son la fluorita y polvos lubricantes para moldes de los

planchones. Cuando ha sido posible se ha disminuido el consumo de fluorita,

esto dependiendo del grado de acero que se esté produciendo y que el proceso

permita disminuir los fundentes, entre ellos la fluorita. Por otro lado se ha

cambiado los polvos lubricantes, empleados para evitar que los planchones se

adhieran al molde, por uno de menor contenido de flúor, pero el elevado costo de

este polvo lubricante ha sido un factor en contra, lo que ha llevado a recurrir

nuevamente a polvos lubricantes con un mayor contenido de flúor.

Otra situación que requiere atención durante el proceso de reducción de flúor es

el pH en las descargas que presentan este problema de flúor; se mantiene en un

rango entre 7.8 a 8.9 y la adición de cualquier sal de calcio tiende a elevar su

valor. Otro inconveniente es el tamaño de precipitado que por ser tan pequeño

tarda demasiado en sedimentar.

No solo desde el punto de vista ambiental es importante controlar la

concentración flúor, también lo es desde el punto de vista operacional, como

parte del programa de reducción de consumo de agua, se está realizando la

recuperación de agua residual para incorporar nuevamente al proceso productivo,

pero al tener un alto contenido de flúor por su gran reactividad, el flúor en el agua

crea corrosión, dañando las tuberías de las áreas operativas, presentando fugas

de agua, como las presentadas en el área de alto horno. En la actualidad se

emplean productos químicos, por ejemplo Romaflock, para bajar la concentración

de éste, pero no es suficiente para llegar a un valor inferior al límite máximo

permitido.

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1.5 Justificación

La industria siderúrgica, en general, entre los contaminantes presentes en las

aguas residuales, se encuentran los Sólidos Suspendidos Totales (SST), aceites,

metales disueltos (en forma de trazas), emulsiones (lubricantes-detergentes-

solventes), sosas, ácidos, fosfatos, nitratos, nitrógeno en forma amoniacal,

Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5),

Nitrógeno Total Kendal (NTK) (NALCO, 2014), por mencionar los más

representativos, ya que todos están directamente relacionados con el tipo de

proceso que se lleva a cabo al interior de la industria. Por ejemplo: puede ser solo

procesos secundarios, es decir de fundición de productos semiterminados

(palanquilla o planchón de acero) que excluye el proceso de peletizado procesos

de coquizado los cuales son procesos primarios (CANACERO, 1988). Además

de los contaminantes mencionados se encuentran los fluoruros que son

compuestos inorgánicos presentes en algunos procesos industriales, como por

ejemplo, la industria del vidrio, cerámica, fertilizantes, fabricación de

semiconductores, que tienen como insumo común la fluorita, (Nemerow, 2007).

Dado que en la manufactura del hierro y del acero se usa más agua que en

ninguna otra industria manufacturera, como lo muestra una investigación hecha

en Estados Unidos (Nalco, 1990) en donde se determinó que el uso de agua por

la industria era del orden de 13100 m3/min de agua de enfriamiento y 9170 m3/min

de agua de proceso. Alrededor de 5240 m3/min de esta agua requería de alguna

forma de tratamiento químico para hacerla adecuada para su uso: generación de

vapor, intercambiadores de calor, enfriamiento de planchones, lavado de gases,

como agua potable y manejadoras.

Del consumo de 9170 m3/min que se usa en procesos, alrededor del 65%

requiere de alguna forma de tratamiento antes de ser descargada. Como una

estimación aproximada, en una planta completa se usaron 120 m3 de agua por

cada tonelada de acero producido (Nalco, 1990), en La Compañía tomando

como base el año 2013 se tuvo un consumo de 14,826,493.99 m3, por lo anterior

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se entiende la importancia de bajar la concentración flúor. Si bien las descargas

de la empresa se integran a un estero artificial y posteriormente al mar, en la

actualidad no se reutilización en actividades de consumo humano, la

responsabilidad de proteger el medio ambiente es parte de la política de la

empresa.

En La Compañía se tiene un proyecto llamado “Cero descargas” que consiste en

recuperar el agua residual de los canales generales y emplear esta agua para el

apagado de escoria líquida. Si se logra bajar la concentración de flúor, esta

misma agua se podría reutilizar no solo para el apagado de escoria líquida o en

la red interna de la empresa de agua contra incendio, también se podría integrar

a los sistemas de los procesos productivos, disminuyendo el consumo de agua,

y con ello disminuir los costos de producción y lo más importante disminuir el

volumen neto de consumo de agua cruda.

Un incentivo mas para disminuir el flúor en aguas residuales es el

aprovechamiento de la generación de fluoruro de calcio CaF2 en forma de

precipitado, es decir de fluorita sintética, que ha sido empleada con éxito en la

industria del vidrio y cerámica. La importancia de esto radica en el hecho de que

en años previos se estimaba una reserva mundial de fluorita para 100 años y

recientemente la estimación ha disminuido a solo 50; pero algunos autores

consideran que la exigente demanda de este producto químico en la industria de

los semiconductores y la industria del flúor cuenta con una reserva para un

periodo menor (Adalco, 2005).

1.6 Preguntas de investigación

¿Se puede reducir el flúor de las aguas residuales en una aérea?

¿Existe algún compuesto o polímero, de preferencia libre de aluminio, que

permita sedimentar los sólidos de flúor insolubles en las descargas de agua

residual?

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¿Es posible emplear los equipos e instalaciones de tratamiento de aguas

residuales en las áreas de producción para retirar el flúor del agua residual?

1.7 Objetivos

1.7.1 Objetivo general:

Disminuir la concentración de flúor de 9 mg/l a menos de 1 mg/l, en el agua

residual proveniente de las descargas de La Compañía en sus áreas de

reducción directa, acería eléctrica y colada continua, antes de integrarse a las

descargas federales.

1.7.2 Objetivos específicos

- Disminuir el flúor en las descargas particulares, para mejorar la calidad de

las descargas de aguas residuales utilizando para ello equipos y

materiales existentes en la empresa.

- Proponer una estrategia con la cual la empresa pueda cumplir con el

compromiso adquirido al certificarse en la norma ISO 14001:2004 en

cuanto a la mejora continua, y con ello también cumplir con los

lineamientos corporativos en cuanto a la disminución de carga de

contaminantes en descargas de agua residual.

1.8 Hipótesis

1- El flúor presente en el agua residual, proveniente de la industria

siderúrgica, es removible usando calcio para su precipitación.

2- Usando finos de caliza, CaCO3, como fuente de calcio para la producción

de CaF2 en el proceso de defluoración de aguas residuales, implicando

menor inversión en el proceso por ser un material sin uso actual en el

proceso de producción de acero en La Compañía.

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3- Es posible precipitar el CaF2 sin que se empleen compuestos de aluminio,

mediante el uso de coagulantes naturales.

1.9 Estudios previos

Debido a la cantidad de personas que en diversos países están expuestos a altas

concentraciones de flúor de forma endémica, se han realizado diversos estudios

para la remoción de flúor, principalmente en agua potable, y en varios sectores

industriales, en la actualidad existen distintas formas de controlar este problema,

los métodos disponibles para la eliminación del fluoruro del agua se puede

clasificar en:

- Métodos de precipitación-floculación

- Métodos de adsorción (alúmina activada)

- Procesos de evaporación

- Procesos que tienen como base membranas

1.9.1 Métodos de precipitación-floculación

En cuanto al tratamiento de efluentes o aguas residuales con alto contenido de

fluoruros, la técnica más empleada es la precipitación con compuestos de

calcio, principalmente con óxido de calcio (CaO):

Ca+2 + 2F- → CaF2

Esta técnica tiene sus desventajas, lograr la remoción de flúor solo con CaO es

difícil por lo tanto se emplean otros agentes de calcio como el cloruro de calcio

(CaCl2) con esta combinación se logra una remoción muy alta superior en

ocasiones al 80%, cuando la indicación es más exigente la adición de sulfato de

aluminio (Al2(SO4)3), el problema de esta técnica es el pH, el rango de

precipitación es de 9 a 12, y el óptimo para el sulfato de aluminio es de 6.5 a 7.5,

en México el límite de pH para descarga es 5 a 10, de acuerdo con la NOM-001-

SEMARNAT-1996, lo cual implicaría un ajuste de pH previo para descargar el

efluente, además la generación de lodos con alto contenido de aluminio y flúor.

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Una de estas técnicas es conocida como “El método de Nalgonda” (Rosal, 2007)

consiste en precipitación química con reactivos cálcicos, la máxima calidad

obtenible corresponde a la solubilidad del CaF2, 7-8 mg/l, y en la práctica es de

10-20 mg/l, superior a las concentraciones recomendadas por distintos

organismos. Si la precipitación se complementa con floculación-sedimentación

utilizando sales de aluminio, como sulfato de aluminio hidratado, se obtiene una

concentración de fluoruro suficientemente baja como para que el agua sea

potable.

El método denomina Nalgonda fue desarrollada por el National Enviromental

Engineering Research Institute de India, por sus siglas en ingles NEERI, para su

uso en pequeñas instalaciones comunitarias o familiares. El proceso tiene lugar

mediante la adición sucesiva de carbonato de calcio y sulfato de aluminio en un

tanque. En las condiciones alcalinas obtenidas tras la adición del carbonato, el

sulfato forma flóculos de hidróxido de aluminio, Al(OH)3. Durante la

sedimentación, los flóculos arrastran el fluoruro y otros iones mediante fuerzas

electrostáticas. El tiempo necesario para la sedimentación de flóculos es de

cuatro horas, (Rosal, 2007).

Entre los métodos de precipitación-floculación, Chang (2007) reportó un estudio

sobre precipitación química utilizando sales de calcio en aguas residuales que

provienen de fábricas de semiconductores, el objetivo del estudio fue investigar

la coagulación-floculación de fluoruro de calcio, en aguas residuales que

presentan concentraciones de fluoruro residual en concentración menor a 15 mg/l.

Éste estudio reveló la relación molar calcio a fluoruro, Ca+2/F-, fue 0.5 y el pH

varió de 6.5 a 8.5. La formación de CaF2 se flocula adicionalmente por cloruro de

polialuminio (PAC) y polielectrolito aniónico, ácido poliacrílico (PAA) de peso

molecular diferente, para poder facilitar una mejor separación sólido-líquida. Los

resultados obtenidos por Chang (2007) indican que tanto el PAC y PAA de bajo

peso molecular son eficaces para eliminar el precipitado de CaF2 y esto se logró

con una dosificación combinada de PAC y PAA, más baja. Los lodos resultantes

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pueden ser enviados a las compañías cementeras, para su aprovechamiento en

la producción de cementos y concretos.

1.9.2 Métodos de adsorción

La adsorción no puede considerarse como un proceso simple, existen bastantes

factores que influyen en el equilibrio de adsorción, entre los más importantes

están las características de los materiales, el adsorbente y adsorbato, grado de

saturación, la química superficial y la textura porosa del adsorbente, del

adsorbato lo más importante es la estructura, el peso molecular, el tamaño, la

aromaticidad y la polaridad, y un factor externo a tomar en cuenta es la

temperatura (Sanchez, Beltrán, Carmona, & Gilbello, 2011).

Para el tratamiento de adsorción puede emplearse alúmina activada puede

utilizarse sulfato de aluminio, pero la dosis necesaria es muy elevada de 150 a

1000 g/m3, dependiendo de cada caso. El agua tratada de esta forma puede

contener una dosis muy fuerte de aluminio disuelto (Godoy, 2003).

La filtración sobre alúmina activada se ha practicado con éxito, en Zimapán,

Hidalgo, se diseñó una planta potabilizadora para remoción de arsénico y flúor

donde el empleo de la alúmina activada tiene un éxito del 40%( Hernandez, 2012).

La regeneración se hace con sulfato de aluminio o con sosa y ácido sulfúrico. La

capacidad de retención puede ser muy variable, según el contenido inicial de flúor

en el agua bruta y las condiciones de funcionamiento: 0.3 a 4.5 g de ion F por

litro de producto (Godoy, 2003).

1.9.3 Procesos de evaporación

En los procesos que implica evaporación del agua están las técnicas conocidas

como destilación de efecto múltiple (MED multi-EffectDistillation) y destilación

súbita de efecto múltiple (MSF Multi-Stage Flash Distillation) basadas en la

utilización de energía térmica o sol hasta los destiladores solares unifamiliares,

que son pequeños recipientes cubiertos de plástico o vidrio que recoge y canaliza

el agua evaporada en su interior hacia un depósito de consumo (Rosal, 2007).

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1.9.4 Procesos a base membranas

Los procesos de tratamiento de aguas residuales mediante membranas son muy

eficientes, pero a nivel industrial para tratamiento de aguas residuales en un país

en vías de desarrollo resultan muy costosos, además presentan otras

desventajas: para poder ser empleados necesitarían de tratamientos previos

principalmente para retirar los sólidos suspendidos, es necesario personal

calificado para su operación, algunas presentan ineficiencia para la remoción de

compuestos no cargados de baja masa molecular, otras presentan una alta

sensibilidad al pH y fuerza iónica. Este tratamiento es recomendable cuando el

objetivo es agua para consumo humano y no para consumo industrial.

1.10 Coagulantes y floculantes sintéticos o industriales

Como se mencionó anteriormente, los sólidos suspendidos representan uno de

los principales contaminantes generados dentro de la industria acerera, más que

solidos suspendidos son los finos o coloides, estos pueden definirse como una

partícula mantenida en suspensión a causa de su tamaño extremadamente

pequeño, 1 a 200 milimicrones, su estado de hidratación y a su carga eléctrica

superficial, por sus propiedades son frecuentemente responsables del color, la

turbidez y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), en ciertos vertidos

industriales (Nemerow, 2007), en la remoción del flúor propician el ensuciamiento

de la superficie del CaCO3 limitando el contacto de Ca con el F y por lo tanto

disminuyendo la eficiencia de remoción, actualmente el empleo de coagulantes y

floculantes inorgánicos es el recurso más empleado en el tratamiento de aguas

para la eliminación de estos contaminantes. El método más común para la

eliminación o control de los sólidos colídales es la coagulación-floculación

química.

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1.10.1 Coagulación

De acuerdo con Nemerow (2007) la coagulación es un proceso de desestabilizar

los coloides, de tal manera que se puedan unir, forme flóculo, aumentó el tamaño,

gane peso y facilite la sedimentación. Este proceso de desestabilización química

de las partículas coloidales se produce al neutralizar las fuerzas de las cargas

eléctricas de la superficie del coloide, que los mantienen en suspensión,

permitiendo que se aglomeren.

El proceso de coagulación química implica una serie de variables, iniciando con

los coloides en forma dispersa, agua como medio dispersante y los productos

químicos empleados para provocar la coagulación.

1.10.2 Floculación

La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, técnicamente consiste

en la agitación de la masa coagulada, esto permite que las moléculas ya

desestabilizadas entren en contacto debido a fenómenos de transporte dentro del

líquido, (Nemerow, 2007), esto está relacionado con la formación de puentes

químicos entre partículas, de tal forma que se forme una red de coágulos

aglomerados, agrandando las partículas aglutinadas en los flocs o flóculo, de tal

forma que por su peso específico sea mayor que el del medio dispersante, en

este caso agua y puedan precipitar.

1.10.3 Principales coagulantes y floculantes inorgánicos, desventajas

Como se mencionó una opción para poder llevar a cabo la remoción de sólidos

coloidales es mediante el empleo de coagulantes, la definición más sencilla de

un coagulante se puede entender como una sustancia química o sal metálica que

reacciona con la alcalinidad OH- del agua, para producir un flóculo de hidróxido

metal que es insoluble en agua y permite incorporar a los coloides.

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Los principales coagulantes inorgánicos empleados en el tratamiento de aguas

residuales son: sulfato de aluminio, cloruro férrico, cloruro de aluminio, sulfato

férrico, sulfato ferroso y polielectrolitos.

1.10.2.1 Sulfato de aluminio

Es el coagulante más empleado, solo o en combinación con polímeros orgánicos,

para mejorar la floculación, su poder de remoción es entre un 90 y 99%, sí es

empleado en condiciones óptimas, puede estar en forma sólida o líquida, el

sulfato de aluminio es una sal derivada de una base débil (hidróxido de aluminio)

y de un ácido fuerte (ácido sulfúrico), por lo que sus soluciones acuosas son muy

ácidas, desafortunadamente el aluminio es fácilmente asimilado por el Hombre

con consecuencias negativas en la salud, es asociado con enfermedades

neurotóxicas a largo plazo, como son Alzheimer, enfermedades óseas y algunas

formas de cáncer (Olivero, Mercado, & Montes, 2013).

1.10.2.2 Cloruro férrico

El cloruro férrico usado como coagulante presenta ventajas frente a otros como

su amplio rango de pH en el cual puede trabajar y la temperatura, otra es la

generación de iones trivalentes de mayor peso molecular los cuales son

esenciales para la coagulación.

En cuanto al pH entre más bajo sea mayor es el éxito de coagulación y se reduce

la cantidad de coagulante requerida, los complejos que forman con la materia

orgánica es insoluble.

1.10.2.3 Hidroxicloruro de aluminio (PACI)

Estos son una nueva generación de coagulantes inorgánicos prepolimerizados,

se comportan de manera diferente a los coagulantes tradicionales debido a sus

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características químicas, durante la coagulación los flóculos de PACI tienden a

ser grupos de esferas o cadenas de tamaño menor a 25 mm, a diferencia de los

flóculos de sulfato de aluminio que son estructuras tipo esponjosas, porosas con

tamaños mayores a 25 mm, (Cogollo, 2010). Entre estos nuevos coagulantes

destacan los hidroxicloruro de aluminio (PACI), clorhidrato de aluminio (ACH) y

polisulfatos de aluminio (PAS).

Los hidroxicloruros de aluminio posen una estructura que es bastante estable

ante hidrólisis posteriores, esto beneficia una mayor eficiencia de coagulación,

generan una menor producción de lodos, tienen una menor dependencia hacia

el pH, de 5.0 a 9.0 y la temperatura.

1.10.2.4 Polielectrólitos

Los Polielectrólitos son polímeros orgánicos de gran tamaño molecular, muchos

polímeros sintéticos contienen solamente un tipo de monómero, algunos tienen

dos o tres unidades diferentes, sí una unidad monomérica de un polímero

contiene grupos ionizables el polímero se denomina polielectrolito, y tienen una

gran carga eléctrica neta, debido al gran rango de pH en el cual se pueden

emplear resultan muy eficaces. Se clasifican en tres tipos, catiónicos, aniónicos

o anfolítico, (Gúzman, Villabona, Tejeda, & García, 2013).

Los catiónicos tienen carga positiva que al entrar en contacto con el agua forman

aniones que permiten remover las partículas con carga negativas, estos

funcionan mejor en pH bajos.

Los aniónicos tienen carga negativa que cuando entran en contacto con el agua

forman cationes y con ello atraen partículas de carga positiva logrando una

remoción de sólidos, a diferencia de los catiónicos estos funcionan mejor a pH

altos.

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Los anfolíticos contienen ambos grupos positivos y negativos, al entrar en

contacto con el agua estos forman iones tanto positivos como negativos, pero

tienen la desventaja que se necesitan mayores concentraciones comparados con

los otros dos. Los polímeros que no contienen grupos ionizables se llaman no

iónicos.

La capacidad de un polímero para actuar como floculante depende de que tan

afín sea para enlazarse sobre la superficie de la partícula colídales, es por ello

que muchos polímeros son específicos para cierto tipo de materiales, es decir los

enlaces pueden formarse por determinado grupo funcional parte del polímero y

la superficie del coloide, (Weber, 2003). Una desventaja que presentan los

polielectrolitos es su elevado costo, por ello se utilizan en combinación con

coagulantes metálicos.

1.11 Coagulantes naturales, una alternativa a coagulantes sintéticos

Debido a los efectos tóxicos de algunos coagulantes inorgánicos o sintéticos,

como ya se mencionó anteriormente, el interés sobre los coagulantes orgánicos

o naturales se ha incrementado durante los últimos años ya que estos son

biodegradables y más seguros para la salud humana, algunos de ellos tienen

propiedades coagulantes o floculantes que actúan de manera similar a los

coagulantes sintéticos. Las fuentes de obtención de estos coagulantes son

productos alimenticios constituidos por carbohidratos y proteínas solubles en

agua, sin embargo a nivel industrial muy pocos han sido probados. Entre los

coagulantes orgánicos que han llamado la atención de los investigadores, por

ejemplo Guzmán, Villabona o Tejeda, se encuentran: Almidón de maíz, Taninos,

Cactus y Moringa oleifera.

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1.11.1 Almidón

El almidón de maíz se ha sometido a pruebas para probar su efectividad como

coagulante natural, se realizó la comparación con el almidón de yuca y con sulfato

de aluminio, los resultados demostraron que el almidón de maíz es más efectivo

que el de yuca, su desempeño es equiparable a un polielectrolito, y presentan

mejores resultados que el sulfato de aluminio (Gúzman, Villabona, Tejeda, &

García, 2013)

1.11.2 Taninos

Los taninos son un gran número de compuestos químicos en la mayoría de las

hojas, frutos y cortezas de las plantas, la mayoría parecen estar asociados a los

metabolismos secundarios de las plantas, tradicionalmente son empleados en la

industria del curtido de pieles. Los taninos posen una estructura química

compleja, pueden clasificarse en taninos hidrolizables y taninos condensados,

estos son empleados en la elaboración de tanigeles adsorbentes.

Sánchez (2011) realizó una investigación sobre el efecto de los taninos para

remoción de color, de detergentes y metales pesados, seleccionó compuestos

con carácter catiónico, la investigación concluyó que lo taninos son plenamente

eficaces en la retirada de contaminantes, durante el ensayo se empleo azul de

metileno, bromuro de cetil-trimetil-amonio y Zn+2.

En otra investigación sobre los taninos y su efecto en la remoción de

contaminantes, el extracto de tanino crudo de A. mearnsii con NH4Cl y

formaldehido en dosis de 12.5 a 25 mg/l es capaz de remover la turbidez inicial

de las muestras empleadas casi en su totalidad (Gúzman, Villabona, Tejeda, &

García, 2013). Al igual que otros coagulantes naturales, se ha realizado estudios

sobre su uso combinado con coagulantes sintético entre ellos el sulfato de

aluminio, los resultados obtenidos demuestran que es una combinación muy

exitosa.

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1.11.3 Cactus

Entre las especies de las cactáceas, la más estudiada con el objetivo de ser

empleado como un coagulante natural, es Opuntia ficus-indica, conocido como

mucilago de nopal, sus pencas contienen abundante mucílago, un conjunto de

carbohidratos complejos con gran capacidad de absorber el agua, también

contienen L-arabinosa, D-galactosa, L-ramnosa, D-xilosa y ácido galacturónico,

en proporciones variadas, su estructura se propone en dos fracciones distintas

solubles en agua, pectina con propiedades gelificantes y la otra mucilago sin

propiedades gelificantes, (Gúzman, Villabona, Tejeda, & García, 2013).

a pesar de presentar dificultad en el empleo de este coagulante en cuanto a la

velocidad de agitación y concentración, Olivero (2013) realizo pruebas de

clarificación del agua del río Magdalena en Colombia logró una remoción del

93.25% frente a un 99.80% del sulfato de aluminio.

1.11.4 Moringa oleifera

El árbol de Moringa oleifera es un árbol cultivado originalmente en el norte de

la India, actualmente abunda en varias regiones del mundo, es una especie

robusta lo que facilita su cultivo puede resistir sequías prolongadas, crece en

condiciones áridas y semiáridas, crece rápido hasta cuatro metros en un año y

requiere poca atención hortícola. Uno de los primeros investigadores en trabajar

con este árbol es Folkard en 1996, realizando sus estudios en el sur de Malawi

donde se a cultivo de este árbol para emplearlo en tratamiento de aguas, los

ensayos mostraron que el árbol podría florear y dar fruto en un año (FAO, 2015).

Si bien este árbol tiene muchas propiedades y usos en alimentación, salud y

ecológicos, son sus semillas quienes ocupan la atención por sus propiedades,

Martín, Martín, García, Fernandez, Hernández, & Puls (2013), mencionan que

diversos estudios han demostrado la presencia de un coagulante natural

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presente en las semillas, en regiones en donde se emplea de forma artesanal

para purificar el agua.

Jingxi, Mengbin, Hanchao, Shuai, & Xiwang (2015) realizaron una revisión de

diversos estudios sobre el uso de las semillas de moringa oleifera para eliminar

diversos contaminantes, entre ellos la turbidez, metales pesados como el cromo

y el cadmio, algunas bacterias como la Escherichia coli, algas y algunos agentes

tensoactivos del agua.

Algunos investigadores relacionan las propiedades de la Molinga oleifera sobre

el tratamiento de aguas a una proteína del tipo lectinas, caracterizándola como

la primera lectina con propiedades coagulantes de contaminantes en el agua, la

Moringa oleifera lectina, como la llaman, es una proteína básica que se activa en

un rango de pH de 6-9, (de Andrade, Cabral, da Silva, Aparecida, Aparecida,

Mentele, Vivela, Guedes, y Breitenbach, 2013)

Por sus características este árbol ha llamado la atención de los investigadores

por los potenciales usos que presenta, de Andrade et al. (2013) realizó un estudio

para determinar la estructura base de la proteína coagulante de la Moringa

oleifera, concluyeron que es una proteína compuesta con 101 aminoácidos, dos

cadenas y tiene una similitud de 81% con la proteína M.O2,1, que presenta 6.5

kDa y punto isoeléctrico por encima de pH 10, también tiene ocho residuos de

cisteína que podrían estar implicados en los enlaces de bisulfuro.

Sobre su naturaleza catiónica se relaciona con tener un pH teórico de 11.67,

que indica una fuerte carga positiva en la superficie, también tiene un alto

contenido de glutamina 26.7%, alanina 6.9%, prolina 6.9% y 17 aminoácidos con

carga positiva, 16 argininas y dos histidinas, que están presentes también en la

estructura de la lectina, (de Andrade, Cabral, da Silva, Aparecida, Aparecida,

Mentele, Vivela, Guedes, y Breitenbach, 2013).

Cada 100 g de vaina con semillas contiene; 86.9 g de agua, 2.5 g de proteínas,

0.1 g de grasa, 8.5 g de carbohidratos, 4.8 g de fibra, 2.0 g de ceniza, 30 mg de

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calcio, 110 mg de fosforo, 5.3 mg de hierro, 184 UI de vitamina A, 0.2 mg niacina,

120 mg de acido ascórbico, 310 µg de cobre y 1.8 µg de yodo, (Duke,

Gogesnschutz-Godwin, duCellier, & Duke, 2003).

Alves, Ferri, Freitas, Gutierres, Fernandes, Bergamasco, Marquetotti (2015),

realizaron la extracción de la proteína coagulante de la Moringa oleifera, llevo a

cabo la comparación entre una extracción acuosa y una salina, concluyendo que

la extracción salina presenta un mejor rendimiento en la eliminación de turbidez

89.14% y color 87.7%, esta no presentó pérdida de potencial de coagulación

durante la extracción de la proteína, y su empleo en tratamiento de agua no

presentó una carga de materia orgánica elevada, minimizando con ello los

problemas de color, sabor y disminuyendo el crecimiento de microorganismos

durante el almacenamiento de agua tratada.

Los coagulantes naturales han sido probados de manera individual y combinados

con sintéticos, debido a que muchos son de origen alimenticio, su

aprovechamiento tiene que ser planeado de forma que no afecte a las

poblaciones que lo consumen, es debido a esto que también se han probado

combinados con sintéticos, logrando excelentes resultados y disminuyendo el

consumo de estos, reduciendo los costos de tratamiento de aguas.

Diversos investigadores en el área de coagulantes naturales coinciden en que la

Moringa oleifera tiene una remoción entre en 94 y 96%, el mucilago de nopal con

un 90 a 92% y los taninos hasta con el 100% en concentraciones adecuadas,

como muestra la tabla 1.

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25

Tablas 1 Resumen de coagulantes naturales

MATERIA VEGETAL TURBIDEZ

INICIAL (NTU)

EFICIENCIA DE

REMOCIÓN (%)

DOSIS ÓPTIMA

mg/L REFERENCIA

Coagulantes aniónicos Nirmali (Strychnos potatorum)

18 – 21; 38– 42;

130 -135 83 - 88 1,0 – 2,0

Babu Chaudhuri, 2005

Coagulantes catiónicos . Moringa oleifera

18 – 21; 38–42;

130—135 94,0 – 99,0 100-200

Amorpha fruticosa (Falso Indigo Bush) . Ceratonia siliqua (Carob) . Ceratonia siliqua (Carob) . Ceratonia siliqua (Carob) . Robinia pseudoacacia (Black Locust) . Phaseolus vulgaris (Cargamanto)

17,5; 30; 70 17,5; 30; 70 17,5; 30; 70 17,5; 30; 70

80; 70; 80 100; 80; 80 60; 60; 60 80; 60; 65

5 ; 5 ; 10 20; 10; 10 5; 10; 10 5; 10; 10

Šćiban et al. 2005

. Cactaceous opuntia 176 90 30 - 50 Zhang et al. 2006

. Polímero catiónico a base de Tanino (TBP) pH entre 4,0 y 7,0

100 85 0,15 – 0,30 Graham et al. 2008

. Acacia siamea (exudado gomoso) 10 – 100 80 - 95 50 Fernández et al. 2008

. Opuntia spp.

. Moringa oleifera 125 125

90 - 92 90 - 92

5 – 15 15

Miller et al. 2008

. Aesculus hyppocastanum (Castaño)

. Castanea sativa (Castaño común)

. Quercus robur (Roble común)

. Quercus cerris (Roble turco)

. Quercus rubra (Roble rojo)

70; 35; 17,5 70; 35; 17,5 70; 35; 17,5 70; 35; 17,5 70; 35; 17,5

40 – 85 40 – 85 40 – 85 40 – 85 40 – 85

0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Šćiban et al. 2009

. Moringa oleifera

. J. curcas 49 49

96 ± 2 95 ± 1

250 50

Pritchard et al. 2009

. Schinopsis balansae (Quebracho)

. Acacia mearnsii (Acacia Australiana) 123 200

80 – 95 75

0,25 12,5

Beltrán et al. 2010 Beltrán et al. 2011

. Tanfloc (Coagulante a base de taninos) . Tanfloc (Coagulante a base de taninos) . Moringa oleifera . Silvafloc (Coagulante a base de taninos)

100 80 80 80

50 – 60 100 95 85

2 20 20 20

Sánchez et al. 2010a Sánchez et al. 2010b

. Phaseolus vulgaris (Fríjol común) 35 72.3 0,7 – 1,0 Antov et al. 2010

. Moringa. Oleifera

. Dolichos lablab

. Cicer arietinum

90 - 120 90 - 120 90 – 120

86,9 84,5 93.8

50 50 50

Asrafuzzaman et al. 2011

Fuente: Gúzman, Villabona, Tejeda, & García, 2013.

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26

1.12 Piedra caliza (carbonato de calcio)

Como se ha mencionado se planea emplear carbonato de calcio para atrapar el

flúor en las aguas residuales, no será ultra puro, ni grado reactivo, será piedra

caliza.

Las piedras calizas son principalmente calcita es decir CaCO3, tomando como

base su origen y su estructura se puede diferenciar tres tipos: de origen orgánico,

es decir formada por la acumulación de restos de caparazones de seres vivos,

de origen detrítico, resultado de la compactación de barros calizos y por ultimo

de origen químico, formada por la precipitación de CaCO3 (Klein & Hurbut, 2003).

Por definición la piedra caliza es una roca que contiene carbonato de calcio al

menos un 50% en peso, en menor porcentaje pueden contener partículas de

cuarzo, feldespasto, minerales de arcilla, pirita, siderita y otros minerales.

Existen variedades de piedra caliza en función de su formación, aspecto,

composición, los siguientes son los más comunes son los siguientes (King, 2013):

Tiza, es una piedra caliza suave con textura muy fina que suelen ser de color

blanco o gris claro, está formado principalmente de restos de conchas y

caparazones de organismos marinos.

Coquina, piedra caliza mal cementada que se compone de restos de cáscara

rota, es común su formación en las playas donde el oleaje segrega los fragmentos

de conchas de tamaño y forma similar.

Piedra caliza fosilífera su característica el contenido evidente de esqueletos

fósiles.

Piedra caliza litográfica, una piedra densa con tamaño de grano muy fino y

uniforme que se produce en capas delgadas que separan fácilmente para formar

una superficie muy lisa.

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Piedra caliza, compuesta principalmente de CaCO3, pequeñas esferas formadas

por la precipitación de carbonato sobre un grano de arena o fragmento de concha.

Por los usos de la piedra caliza, podría ser el mineral no metálico con mayor

variedad de usos, esto se debe a que son fuertes rocas, densas con pocos

espacios entre poros, estas propiedades les permite resistir la abrasión por

congelación/descongelación, se emplea para obtención de cemento, en la

neutralización de suelos ácidos, en la construcción, en la industria del papel,

pintura, plásticos, en tratamiento de aguas residuales y es materia prima en la

fabricación de cal. La piedra caliza se calienta en un horno rotatorio a alta

temperatura, se obtiene CaO y se libera CO2.

Dentro de La Compañía se consume piedra caliza en la fabricación de cal, esta

piedra es sometida a un proceso de trituración y criba previo a ser cargada a los

hornos caleros, durante la criba se producen los finos de caliza, estos finos en la

actualidad no tienen ningún uso dentro de La Compañía, dado que no cumplen

con el tamaño requerido, introducirlos a los hornos caleros significaría una

perdida por el consumo energético necesario para obtener la cal que estos

consumirían, la cal solo sería polvo que se perdería junto con los gases de

combustión, y terminarían en el sistema de control de emisiones. Se emplearán

estos finos de piedra caliza como material absorbente en las pruebas de

remoción de flúor en las aguas residuales.

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28

Capítulo II

2.1 Metodología

El desarrollo de las pruebas de reducción de flúor en el agua residual se puede

resumir en tres partes:

1) La primera consistió en obtener los materiales empleados como fuente de

calcio, y los coagulantes sintéticos y naturales, después se adecuaran

estos materiales para facilitar su uso durante las pruebas de reducción de

flúor.

2) La segunda parte consistió en la realización las de pruebas de reducción

flúor.

3) La tercera parte consistió en la verificación e interpretación de los

resultados obtenidos durante las pruebas de reducción de flúor.

La secuencia de desarrollo de las pruebas experimentales se ejemplifica en el

figura 2.

2.2 Identificación de variables

Las variables identificadas como parte de esta investigación son las siguientes:

1. Concentración de flúor en descarga de agua residual proveniente de

acería eléctrica y colada continua, esta variable está relacionada con la

cantidad de polvos lubricantes y fundentes que estén consumiendo estas

áreas operativas, su rango de concentración varia de 2 mg/l a 8 mg/l.

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Obtención de materiales y muestras de agua residual

Finos de caliza, Cal Hidróxido de calcio

Semillas de Moringa oleifera

Coagulantes sintéticos

Secado y molienda

Muestras de agua

Tamizado y molienda de finos de caliza

Caracterización

Tratamiento

Verificación de eficiencia y calidad de otros parámetros involucrados

Selección de mejor

fuente de calcio

Pruebas con coagulantes

Pruebas con calcio y

coagulantes

Verificación de eficiencia

de remoción

Conclusiones

Caracterización posterior

a tratamiento

Figura 2 Diagrama general de investigación.

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2. El flujo de descarga de agua residual por área. Se conoce el consumo de

agua pero no se tiene un registro del agua residual descargada o de las

perdidas por evaporación. La falta de medidores particulares dificulta su

conocimiento.

3. Concentración de flúor en mineral. A pesar de ser baja la concentración

por la cantidad de toneladas consumidas por las áreas, en ocasiones es

una fuente importante de flúor que llega a las aguas residuales. La

concentración de flúor en mineral no es conocida.

4. El tiempo de sedimentación de CaF2. El precipitado que se forma con las

sales de calcio tarda demasiado en sedimentar, lo que origina la necesidad

de un coagulante o floculante que permita acelerar la sedimentación del

fluoruro de calcio.

5. El pH de la descarga antes de la captura de flúor, se presenta en un rango

de 7.10 a 8.89. Se tiene un rango de trabajo muy estrecho.

2.3 Materiales e infraestructura

El proyecto se desarrolla en una empresa siderúrgica, en particular, el

Laboratorio de Control de Calidad Ambiental al cual se recaban las muestras que

son recolectadas en las áreas de operación, los equipos con los que se realizan

ron los experimentos de la presente investigación son propiedad del laboratorio

de control de calidad ambiental.

Para los análisis se requirieron de dos equipos ya que se al realizaron dos

técnicas diferentes:

- Analizador de flujo segmentado con unidad de destilación integrada y

espectro UV, marca Astoria Pacific

- Espectro UV DR 890, marca HACH

- Para la preparación de las semillas:

- Estufa de viento a 110°C, marca Thermo Line

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31

- Mortero de porcelana

Para análisis de rutina:

- Medidor de pH, marca Thermo Orion

- Medidor de turbidez, marca HF scientific, inc

- Balanza analítica, marca Toledo

- Balanza analítica, marca Starius

- Prueba de Jarras

- Parilla de agitación magnética

- Bomba de vacío

- Material común de laboratorio

2.3.1 Reactivos

Durante las pruebas se desarrollaron dos técnicas para cuantificar el contenido

de flúor en el agua, la primera consistió en el análisis de flujo segmentado-UV y

la segunda el método comercial HACH.

- Método de análisis de flujo segmentado-UV

La ventaja de este método respecto a otros es la eliminación de interferencias

positivas y negativas al realizar una separación mediante destilación, es un

método automático y el consumo de reactivos es muy bajo pero sobre todo es

muy confiable.

- Método comercial HACH

El principio de este método se basa en la reacción entre los iones fluoruro y el

complejo colorido de Zirconilo-SPADNS, formando un ion más complejo e

incoloro ZrF6-2 el cual al aumentar el contenido de flúor disminuye la intensidad

del color purpura característico del complejo Zirconilo-SPADNS. Solo por

mencionar los consumidos en mayor cantidad.

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32

2.3.2 Preparación de semillas de Moringa oleifera

Como floculante para la prueba de floculación no se emplearon productos

químicos comerciales, en su lugar fueron sustituidos por polvo de semillas de un

Moringa oleifera.

Para poder emplear las semillas fue necesario pulverizarlas. Las semillas fueron

recolectadas en árboles de la región, algunos se encuentran en el interior de La

Compañía, otros se encuentran al interior de la planta de tratamiento de aguas

municipal, la recolección de las semillas fue durante la primavera.

Las semillas crecen en vainas que se dejan madurar y secar en los árboles, para

poder recolectarlas las vainas tienen que ser de color café oscuro, de esta

manera se asegura que las semillas están secas y pueden ser cosechadas.

Una vez cosechadas las semillas son retiradas de las vainas, y se dividieron en

dos grupos, el primer grupo se expusieron al sol durante dos días más para un

secado adicional, el segundo grupo se sometió a secado por medio de aire

caliente a 100 °C.

Reactivo Marca

- Alizarín 3-metilamine-N, N-diacetic acid, C19H15NO8 SICMA

- Ácido acético JT Baker

- Acetonitrilo JT Baker

- Hidróxido de amonio JT Baker

- Nitrato de Lanthanum SICMA

- Acetato de sodio JT Baker

- Fluoruro de sodio JT Baker

- Ácido sulfúrico JT Baker

- Brij-35 30% Astoria

- Solución SPADNS HACH

- Coagulante comercial 501 ROMA

Tabla 2. Reactivos

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33

Figura 3. Árbol de Moringa oleifera y vainas de semilla

Fuente: Imagen propia tomada en La Compañía

Después del secado los dos grupos se trituraron, para evitar la contaminación

con materiales ferrosos y minerales no metálicos, se optó por la trituración

manual, es decir por trituración con mortero de porcelana, hasta lograr un polvo

lo más fino y uniforme posible.

Después de conseguir el polvo de semillas, se realizaron soluciones en tres

concentraciones, 1%, 2% y 3%, para probar su efectividad como coagulante para

remover la turbidez y el flúor.

El motivo de no emplear directamente el polvo y realizar las soluciones fue para

acelerar la activación del coagulante natural, en este caso la proteína de la

Moringa oleifera, y con ello disminuir el tiempo de coagulación.

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34

Figura 4. Semillas secas y trituradas

Fuente: Imagen propia tomada en La Compañía

2.3.3 Preparación de caliza/CaCO3

Como se ha mencionado anteriormente, el CaCO3 se obtendrá de los finos de

piedra caliza que se generan en La Compañía, debido a que son fragmentos de

rocas que durante años se han almacenado a la intemperie, es necesario

prepararlos para poder usarlos en la pruebas de laboratorio.

Los finos de caliza recolectados se sometieron a lavado con abundante agua

para retirar la tierra y polvo acumulado en la superficie, posteriormente se

colocaron en estufa de secado a 100°C para eliminar toda la humedad y evitar

problemas de generación de lodos durante la molienda, a diferencia de las

semillas de Moringa oleifera, para la molienda de los finos fue necesario el

empleo de molinos mecánicos. Después la molienda de los finos de caliza, se

llevó a separación por medio de mallas, se emplearon las mallas #75 y #100.

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35

Contrario a lo recomendado en varios artículos, no se empleó ningún tipo de

hidróxido para facilitar la adsorción del flúor sobre la superficie del CaCO3,esto

fue con el único objetivo de evitar la modificación del pH en el agua residual.

2.4 Muestreo de aguas residuales

Las muestras de agua residual se obtuvieron en cada una de las áreas operativas,

para lograr un volumen representativo de la calidad de agua residual se tomaron

muestras cada ocho horas, es decir tres muestras de agua residual por día, una

vez por semana, esto corresponde a una muestra por turno operativo.

Las muestras se recolectaron en frascos de polietileno, de dos litros, en un

principio se trató de preparar un composito con las muestras, pero al no conocer

el flujo por cada descarga, no fue posible calcular las fracciones del composito,

por lo tanto se consumieron dos litros de agua residual por turno.

En cuanto a la preservación de las muestras, de agua residual, estas solo se

guardaron en refrigeración a 4 °C. Cuando se reunieron las muestras de los tres

turnos se mezclaron y se midieron el pH, la conductividad y la concentración de

flúor.

2.5 Determinación de flúor en aguas residuales

Para la determinación la concentración de flúor en la muestra de agua residual

recolectada, se empleó se usa la técnica de complejo de alizarín (Astoria-Pacific,

2008) de acuerdo al procedimiento siguiente:

Primero se elaboró una curva de calibración para la cuantificación de flúor total,

para ello tanto los estándares como las muestras se destilaron a 160°C con

H2SO4; posteriormente se condensó, y se puso en contacto con la solución de

complejo de alizarín, que al reaccionar con el flúor presente permite determinar

su concentración por medio de espectro UV. Este método se seleccionó por la

facilidad para eliminar interferencias positivas en determinación de flúor,

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36

características de las aguas residuales en la industria siderúrgica (amoniaco,

fierro, fosfatos, cloro), para ello se utilizó un equipo de microanálisis de flujo

segmentado con unidad de destilación, digestión y espectro UV en línea, además,

se utilizó material de polipropileno en la preparación de soluciones para evitar

contaminar en lo posible de flúor.

Debido al costo de los reactivos consumidos varias de las determinación de flúor

se llevaron también por la técnica de SPANDS, esta técnica consiste en hacer

reaccionar el complejo zirconilo-SPADNS, el flúor reacciona con el zirconilo

formando otro ion complejo incoloro, conforme aumenta la concentración de flúor,

disminuye el color del complejo zirconilo-SPADNS.

2.6 Prueba de jarras

Para la prueba de jarras, se adoptaron las velocidades de rotación de mezcla de

capacidad del equipo existente en el laboratorio, para la etapa de rotación rápida

se emplearon velocidades de 1200 y 800 rpm, a distintos tiempos desde una hora

hasta 48 hrs. En cuanto a mezclado lento, empleo 43 rpm de durante 6 a 10 min,

con un periodo de reposo de 30 min. Para llevar a cabo la medición de pH,

conductividad, turbidez y concentración de flúor.

La dosificación de coagulantes se realizó en el centro del recipiente y

posteriormente se inició el equipo. La muestra para la medición de estos

parámetros se toma en el centro del recipiente, después del periodo de reposo.

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Figura 5. Equipo de prueba de jarras

Fuente Imagen propia tomada en La Compañia

Se realizó el cálculo del porcentaje de remoción de la turbidez y del flúor mediante

la fórmula siguiente:

% R = C inicial -Cfinal

C inicial×100

Donde:

% R es porcentaje de remoción y C es concentración.

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38

Capítulo III

3.1 Resultados

3.1.1 Comportamiento del flúor vs pH

Los resultados referentes al monitoreo de flúor y pH en el agua residual son del

año 2013 y corresponden a aguas residuales generadas en las siguientes áreas

operativas.

En la Gráfica 1 se observa el perfil que presenta el flúor en el agua residual de

colada continua, su concentración no es constante, lo que indica que está en

función de la cantidad de acero producido, a mayor cantidad de acero producido

mayor consumo de polvos lubricantes para moldes, principal fuente de flúor en

colada continua y acería eléctrica, además también el tipo de acero que se

produce es otro factor que influye en la cantidad de flúor presente en el agua

residual.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

3-Ja

n-13

17-J

an-1

3

31-J

an-1

3

14-F

eb-1

3

28-F

eb-1

3

14-M

ar-1

3

4-A

pr-1

3

18-A

pr-1

3

2-M

ay-1

3

16-M

ay-1

3

30-M

ay-1

3

14-J

un-1

3

27-J

un-1

3

11-J

ul-1

3

25-J

ul-1

3

8-A

ug-1

3

27-A

ug-1

3

10-S

ep-1

3

24-S

ep-1

3

8-O

ct-1

3

22-O

ct-1

3

5-N

ov-1

3

21-J

an-1

4mg/l

Período de monitoreo

Perfil de flúor en aguas residuales en colada continua

Concentración de flúor en mg/l Concentración de flúor en mg/l

Gráfica 1. Perfil de flúor en aguas residuales en colada continua.

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En cuanto al pH, en la Grafica 2, a diferencia del flúor el pH no presenta

variaciones abruptas, su perfil permanece entre siete y nueve, otra diferencia la

se puede observar cuando se presenta la concentración más alta de flúor en la

Gráfica 1 durante el mes de mayo, a diferencia del flúor el pH permaneció es su

rango habitual, lo que permite concluir que el pH no está en función de la

producción mientras que el flúor si depende de la producción.

Gráfica 2. Perfil de pH en agua residual en colada continúa

Por la naturaleza del proceso productivo el área de colada continua y acería

eléctrica no se pueden revisar de manera individual, en el caso de la calidad del

agua residual de estas dos áreas es el mismo caso, a través de los sistemas

control de emisiones se y capta los polvos de las tolvas de aditivos que

suministran la fluorita a los hornos acereros, y así como el flúor entra en contacto

con el agua el área de acería eléctrica, y a través de los sistemas de recuperación

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.000

11.000

3-Ja

n-13

10-J

an-1

3…

24-J

an-1

3…

7-F

eb-1

3…

21-F

eb-1

3…

7-M

ar-1

3…

21-M

ar-1

3…

11-A

pr-1

3…

26-A

pr-1

3…

9-M

ay-1

3…

23-M

ay-1

3…

6-Ju

n-13

20-J

un-1

3…

5-Ju

l-13…

18-J

ul-1

3…

1-A

ug-1

3…

15-A

ug-1

3…

3-S

ep-1

3…

17-S

ep-1

3…

1-O

ct-1

3…

15-O

ct-1

3…

29-O

ct-1

3…

14-J

an-1

4…

28-J

an-1

4…

pH

Período de monitoreo

Perfil de pH en agua residual en colada continua

pH Límite Máximo Permitido en pH

Límite Mínimo Permitido en pH

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40

de agua residual se distribuye entre acería eléctrica y colada continua originando

el perfil que muestra la Gráfica 3, al igual que colada continua, el perfil de flúor

está en función de la producción y tipo de acero producido. A diferencia de colada

continua, la cantidad de flúor que entra en contacto con el agua es menor,

prácticamente toda la fluorita queta atrapa en la escoria de horno eléctrico, en la

Grafica 3 se observa que a diferencia de colada continua, acería eléctrica tiene

una menor concentración de flúor en su descarga de agua residual.

Grafica 3. Perfil de flúor en agua residual en acería eléctrica

En cuanto al perfil pH de acería eléctrica, este lo podemos apreciar en la Gráfica

4, y no muestra sobresaltos en cuanto a sus valores, su rango se ubica ente los

siete y nueve, lo que indica que tampoco está en función de la producción.

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

3-Ja

n-13

17-J

an-1

3

31-J

an-1

3

14-F

eb-1

3

28-F

eb-1

3

14-M

ar-1

3

4-A

pr-1

3

18-A

pr-1

3

2-M

ay-1

3

16-M

ay-1

3

30-M

ay-1

3

14-J

un-1

3

27-J

un-1

3

11-J

ul-1

3

25-J

ul-1

3

8-A

ug-1

3

27-A

ug-1

3

10-S

ep-1

3

24-S

ep-1

3

8-O

ct-1

3

22-O

ct-1

3

5-N

ov-1

3

21-J

an-1

4

mg/l

Período de monitoreo

Perfil de flúor en agua residual en acería eléctrica

Concentración de flúor en mg/l Concentración de flúor en mg/l

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41

Grafica 4. Perfil de pH en agua residual de acería eléctrica.

En el caso de reducción directa 1, en la Gráfica 5 se observa un perfil bastante

errático no presenta estabilidad, esto se debe principalmente a que no consumen

materiales con flúor, la razón por la cual el agua residual de reducción directa 1,

tiene contenidos altos de flúor es por acería eléctrica y colada continua, como

parte de las pruebas de cuantificación de flúor se recolectaron muestras de los

distintos tipos de agua que necesita para su operación normal, se encontró que

el agua recuperada que se usa en estas áreas fue la única en presentar alto

contenido de flúor.

3-Ja

n-13

17-J

an-1

3…

31-J

an-1

3…

14-F

eb-1

3…

28-F

eb-1

3…

14-M

ar-1

3…

4-A

pr-1

3…

18-A

pr-1

3…

2-M

ay-1

3…

16-M

ay-1

3…

30-M

ay-1

3…

14-J

un-1

3…

27-J

un-1

3…

11-J

ul-1

3…

25-J

ul-1

3…

8-A

ug-1

3…

27-A

ug-1

3…

10-S

ep-1

3…

24-S

ep-1

3…

8-O

ct-1

3…

22-O

ct-1

3…

5-N

ov-1

3…

21-J

an-1

4…

pH

Período de monitoreo

Perfil de pH en agua residual en acería eléctrica

pH Límite Máximo Permitido en pH

Límite Mínimo Permitido en pH

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42

Gráfica 5. Perfil de flúor en agua residual de reducción directa 1.

Respecto al pH, en la Gráfica 6 el perfil muestra que a permanecer entre siete y

ocho, no siendo afectado por la presencia de flúor.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

4-Ja

n-13

17-J

an-1

3

31-J

an-1

3

14-F

eb-1

3

28-F

eb-1

3

14-M

ar-1

3

21-M

ar-1

3

4-A

pr-1

3

11-A

pr-1

3

18-A

pr-1

3

26-A

pr-1

3

2-M

ay-1

3

16-M

ay-1

3

23-M

ay-1

3

6-Ju

n-13

20-J

un-1

3

5-Ju

l-13

18-J

ul-1

3

25-J

ul-1

3

8-A

ug-1

3

15-A

ug-1

3

27-A

ug-1

3

3-S

ep-1

3

10-S

ep-1

3

17-S

ep-1

3

24-S

ep-1

3

1-O

ct-1

3

22-O

ct-1

3

29-O

ct-1

3

5-N

ov-1

3

12-N

ov-1

3

14-J

an-1

4

21-J

an-1

4

28-J

an-1

4

mg/l

Período de monitoreo

Perfil de flúor en agua residual de reducción directa 1

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

4-Ja

n-13

17-J

an-1

3

31-J

an-1

3

14-F

eb-1

3

28-F

eb-1

3

14-M

ar-1

3

21-M

ar-1

3

4-A

pr-1

3

11-A

pr-1

3

18-A

pr-1

3

26-A

pr-1

3

2-M

ay-1

3

16-M

ay-1

3

23-M

ay-1

3

6-Ju

n-13

20-J

un-1

3

5-Ju

l-13

18-J

ul-1

3

25-J

ul-1

3

8-A

ug-1

3

15-A

ug-1

3

27-A

ug-1

3

3-S

ep-1

3

10-S

ep-1

3

17-S

ep-1

3

24-S

ep-1

3

1-O

ct-1

3

22-O

ct-1

3

29-O

ct-1

3

5-N

ov-1

3

12-N

ov-1

3

14-J

an-1

4

21-J

an-1

4

28-J

an-1

4

pH

Período de monitoreo

Perfil de pH en agua residual de reducción directa 1

Concentración de flúor en mg/l Concentración de flúor en mg/l

pH Límite Máximo Permitido en pH

Límite Mínimo Permitido en pH

Gráfica 6. Perfil de pH en agua residual de reducción directa 1.

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43

Sobre la Gráfica 7 presenta un perfil de flúor similar a la Gráfica 5, esto se debe

a que ambas áreas son afectadas por acería eléctrica y colada continua, al recibir

agua recuperada con flúor, su perfil muestra un comportamiento errático, sin una

tendencia clara, durante la caracterización al igual que reducción directa 1, el

sistema que recibe agua recuperada fue la única muestra que presentó alta

concentración de flúor.

Grafica 7. Perfil de flúor en agua residual de reducción directa 2.

La Gráfica 8 muestra un perfil de pH en la reducción directa 2 muy estable, con

valores de ocho, de todas las muestras analizadas destaco por una clara

tendencia, al igual que reducción directa 1, la presencia de flúor no afecta el pH

en la descarga de agua residual.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

3-Ja

n-13

17-J

an-1

3

31-J

an-1

3

14-F

eb-1

3

28-F

eb-1

3

14-M

ar-1

3

4-A

pr-1

3

18-A

pr-1

3

2-M

ay-1

3

16-M

ay-1

3

30-M

ay-1

3

14-J

un-1

3

27-J

un-1

3

11-J

ul-1

3

25-J

ul-1

3

8-A

ug-1

3

27-A

ug-1

3

10-S

ep-1

3

24-S

ep-1

3

8-O

ct-1

3

22-O

ct-1

3

5-N

ov-1

3

21-J

an-1

4

mg/l

Período de monitoreo

Perfil de flúor agua residual de reducción directa 2

Concentración de flúor en mg/l Concentración de flúor en mg/l

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44

Gráfica 8. Perfil de pH en agua residual de reducción directa 2.

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

3-Ja

n-13

17-J

an-1

3

31-J

an-1

3

14-F

eb-1

3

28-F

eb-1

3

14-M

ar-1

3

4-A

pr-1

3

18-A

pr-1

3

2-M

ay-1

3

16-M

ay-1

3

30-M

ay-1

3

14-J

un-1

3

27-J

un-1

3

11-J

ul-1

3

25-J

ul-1

3

8-A

ug-1

3

27-A

ug-1

3

10-S

ep-1

3

24-S

ep-1

3

8-O

ct-1

3

22-O

ct-1

3

5-N

ov-1

3

21-J

an-1

4

pH

Período de monitoreo

Perfil de pH en agua residual de reducción directa 2

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45

3.1.2 Resultados de prueba de jarras para determinar la efectividad de las

semillas Moringa oleifera

Con base en los resultados del monitoreo realizado, se considero como muestra

base la descarga de agua residual proveniente de acería eléctrica debido a la

mayor concentración de flúor y por tener las variables más representativas de los

sistemas de tratamiento de aguas residuales, entre ellas se puede mencionar la

presencia de sólidos suspendidos en forma coloidal, pH superior a 8.5, debido a

la variedad de grados de acero que se producen en acería eléctrica es necesario

tener por lo menos dos muestras para representar la variedad de agua residual

en función del grado de acero producido, las muestras corresponden a distintos

periodos.

Las variables a consideraron fueron las siguientes:

Tabla 3. Condiciones iniciales de la muestra de agua residual de acería eléctrica.

Medición inicial

Parámetro Unidades Muestra A Muestra B

pH --- 8.372 8.128

Conductividad µS/cm 387 443

Turbidez NTU 52 635

Flúor mg/l 6.85 7.37

Los resultados obtenidos después de agregar el polvo de Moringa oleifera se

muestran en la tabla 4. Los resultados de turbidez muestran una gran eficiencia

como coagulante natural, obteniendo una remoción de 85.71% y 911.11%,

coincidiendo con Guzman, Villabona, Tejeda y Garcia (2013) en las pruebas que

realizaron durante su investigación de coagulantes naturales, sin embargo es

necesario señalar que sí bien el polvo funciona para coagular, al no ser soluble

este permanece flotando en la superficie, por lo cual se preparación soluciones

con este polvo para agregar la solución activado en lugar de polvo de semillas.

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46

El resto de los parámetros que fueron señalados susceptibles de alteración,

permanecieron prácticamente iguales.

Tabla 4. Resultados después de agregar polvo de semilla de Moringa oleifera.

Medición después de agregar polvo de semillas de Moringa oleifera

Parámetro Unidades Muestra A Muestra B

pH --- 8.400 8.250

Conductividad µS/cm 401 460

Turbidez NTU 28 56

Flúor mg/l 6.45 7.00

Remoción de Flúor

% 5.83 4.76

Remoción de turbidez

% 85.71 91.11

Se trabajó con una velocidad de agitación rápida de 110 RPM, 20 min

Se trabajó con una velocidad de agitación lenta de 40 RPM, 10 min

Tiempo de reposo 36 min

Las soluciones empleados son 1%, 2% y 3%, las soluciones de mezclaron durante 30 min a 400 rpn, las siguientes tablas muestran los resultados.

En cuanto al volumen empleado consumido de la solución al 1% esta se fue

agregando hasta detección de floculos, volumen necesario fue de 16 ml de

solución al 1% de polvo de semillas, la tabla 5, muestra que la remoción fue de

de 53.86% y 10.23% en la muestra A y muestra B respectivamente.

Tabla 5. Resultados después de agregar la solución al 1% de semillas Moringa

oleifera

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47

.

Se trabajó con una velocidad de agitación rápida de 110 RPM, 15 min

Se trabajó con una velocidad de agitación lenta de 43 RPM, 6 min

Tiempo de reposo 36 min

Volumen empleado 16 ml de solución al 1%

Tabla 06. Resultados después de agregar solución al 2% de polvo de semilla

de Moringa oleifera.

Se trabajó con una velocidad de agitación rápida de 110 RPM, 10 min

Se trabajó con una velocidad de agitación lenta de 43 RPM, 10 min

Medición después de agregar solución de semillas al 1%

Parámetro Unidades Muestra A Muestra B

pH --- 7.928 8.006

Conductividad µS/cm 391 445

Turbidez NTU 24 570

Flúor mg/l 6.8 7.30

Remoción de Flúor

% 0.72 0.94

Remoción de turbidez

% 53.86 10.23

Medición después de agregar solución de semillas al 2%

Parámetro Unidades Muestra A Muestra B

pH --- 7.898 8.019

Conductividad µS/cm 396 444

Turbidez NTU 27 441

Flúor mg/l 7.95 7.45

Remoción de Flúor

% 0 0

Remoción de turbidez

% 48.07 30.55

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48

Tiempo de reposo 21 min

Volumen empleado ml de solución al 2%

En cuanto a los resultados de la solución al 2% de polvos de semilla, el volumen

necesario fue de 10 ml, y la remoción fue de 48.07% y 30.55%

Tabla 07. Resultados después de agregar solución al 3% de polvo de semilla

de Moringa oleifera.

Medición después de agregar solución de semillas al 3%

Parámetro Unidades Muestra A Muestra B

pH --- 7.833 8.008

Conductividad µS/cm 395 444

Turbidez NTU 54 167

Flúor mg/l 7.05 7.30

Remoción de Flúor

% 0 0.94

Remoción de turbidez

% 0 73.70

Se trabajó con una velocidad de agitación rápida de 110 RPM, 6 min

Se trabajó con una velocidad de agitación lenta de 43 RPM, 6 min

Tiempo de reposo 14 min

Volumen empleado 6 ml de solución al 1%

De las tres soluciones empleadas, la solución al 3% presento un mejor

desempeño, obteniendo un 73.70% de remoción, sin embargo este valor se logro

en muestras con alto contenido de coloides, en muestras de bajo contenido es

contraproducente, porque tiende a volverse la muestra lechosa, agregando mas

turbidez al agua a tratar, respecto a los otros parámetros de control, el incremento

en algunos como la conductividad, realmente es poco no significativo, en el caso

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49

del pH, lo volvió ligeramente ácido, pero no sobrepasa los límites enlistados en

la NOM-001-SEMARNAT-1996.

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50

3.1.3 Pruebas de remoción de flúor

Posterior a las de pruebas de jarra, se realizaron pruebas para remover el flúor

en las aguas residuales combinando un floculante comercial 501, solución de

semillas de moringa y CaCO3, la solución del floculante comercial se preparó a

10 y 30 mg/l, también se realizó una prueba con solo piedra caliza, los resultados

de las pruebas son los siguientes:

Gráfica 9: Remoción de flúor empleando una solución sintética 501

concentración 10 mg/l

La Gráfica 9 tenemos en eje vertical principal la concentración de flúor en una

muestra de agua, en el eje vertical secundario tenemos el volumen de coagulante

empleado para precipitar el flúor en una muestra de agua y en el eje horizontal

tenemos las horas de contacto y agitación. Podemos apreciar el perfil de

disminución en la concentración del flúor en agua residual, pero para poder

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

mlmg/l

horas contacto

Remoción de flúor mediante coagulante sintético 501

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51

conseguir esa reducción de flúor es necesario aumentar drásticamente el

volumen de coagulante sintético, esto se aprecia después de seis horas de

agitación, fue necesario incrementar el volumen de solución de 50 ml hasta 150

ml también se observa que para conseguir una 1 mg/l de flúor, es necesario

consumir 350 ml de solución comercial, que terminaría incrementando los costos

de tratamiento de aguas. Adicional al coagulante sintético se dosifico también

solución de semillas de Moringa oleifera para acelerar la precipitación del flúor.

Gráfica 10: Remoción de flúor empleando una solución sintética 501

concentración 30 mg/l

En la Gráfica 10 tenemos en eje vertical principal la concentración de flúor en una

muestra de agua, en el eje vertical secundario tenemos el volumen de coagulante

empleado para precipitar el flúor en una muestra de agua y en el eje horizontal

tenemos las horas de contacto y agitación nos muestra la disminución del flúor

pero no muestra un ahorro real, la solución sintética empleada es de mayor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8

mlmg/l

horas de contacto

Remoción de flúor empleando una solución sintética 501

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52

concentración, adicional a al coagulante sintético tenemos la adición de la

solución de Moringa oleifera al 3%, igual que en la Grafica 9, tenemos un

estancamiento respecto a la disminución de flúor, es necesario aumentar de

forma drástica la dosificación de coagulantes para aumentar la remoción de flúor

y la mejor reducción fue conseguir obtener cerca de 3 mg/lt.

Durante las pruebas de remoción, se realizo una pequeña variación, en lugar de

adicionar la solución de semillas, primero se realizo la coagulación de los coloides

para evitar su depósito sobre la superficie del carbonato de calcio, disminuyendo

la capacidad de absorción de flúor, y después se realizo la remoción del flúor con

el agua libre de coloides.

Las graficas siguientes muestran los resultados de estas pruebas.

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53

Gráfica 11: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como absorbente

a 1200 rpm.

En la Gráfica 11 no tenemos adición de ningún químico adicional al carbonato de

calcio, en el eje vertical tenemos la concentración de flúor en el agua residual, en

el eje vertical secundario tenemos el porcentaje de remoción de flúor y por ultimo

tenemos en el eje horizontal las horas de agitación, podemos observar como

mediante el uso del carbonato de calcio como material absorbente es suficiente

para remover el flúor de las aguas residuales, conforme aumentan las horas de

agitación, la concentración de flúor disminuye, y aumenta la remoción de flúor,

de una concentración inicial de 9.7 mg/l se logro disminuir hasta 1.3 mg/. Para

conseguir esto fue necesario emplear solamente la fuerza centrifuga, es decir

someter las muestras a una fuerte mezclado a 1200 rpm, conforme avanza el

tiempo de mezclado, la concentración de va disminuyen, hasta una remoción 86%

de flúor.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 0.3 1 2 3 4 24 48

%mg/l

horas de agitación

Remoción de flúor

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54

Gráfica 12: Remoción de flúor vs pH empleando carbonato de calcio como

absorbente a 1200 rpm.

Sobre el pH en la Gráfica 12 nos muestra el comportamiento del pH en el agua,

mientras se encuentra en contacto del carbonato de calcio durante la remoción

de flúor, se aprecia que no hay una gran variación entre la lectura inicial y final

del pH en el agua.

En el eje vertical tenemos la concentración de flúor y en el eje vertical secundario

tenemos el pH, en el eje horizontal tenemos las horas de agitación.

En esta Gráfica podemos apreciar que conforme avanza el tiempo de agitación,

la variación del pH con respecto de la disminución en la concentración de flúor

no es muy significativa, lo que implica que el pH no se altera y no será necesaria

una neutralización para liberar el agua residual tratada.

0

2

4

6

8

10

12

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 0.3 1 2 3 4 24 48

pHmg/l

horas de agitación

Remoción de flúor

Concentración de flúor pH

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55

Gráfica 13: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como absorbente

a 800 rpm.

Sí bien como ha observado en la Gráfica 11 se logro una remoción del 86%, se

realizaron pruebas para determinar la velocidad mínima de agitación en la cual

se puede lograr una remoción exitosa, en la Gráfica 13 muestra los resultados de

esta prueba, se empleo solamente carbonato de calcio y una velocidad de 800

rpm, en el eje vertical tenemos la concentración de flúor en el agua residual, en

el eje vertical secundario tenemos el porcentaje de remoción de flúor y por ultimo

tenemos en el eje horizontal las horas de agitación, si bien no se obtuvieron

resultados deseados, se lograron resultados positivos, una remoción de 50% , en

un periodo mucho menor, tan solo cinco horas.

0

10

20

30

40

50

60

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 2 3 4 5

%mg/l

horas de agitación

Remoción de flúor

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56

Gráfica 14: Remoción de flúor vs pH empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm.

Respecto al pH en la misma prueba 800 rpm, no presento una variación

significativa, aun después de 5 horas de agitación esto lo podemos apreciar en

la Gráfica 14.

Después de comprobar que a menor velocidad de agitación es posible retirar el

flúor se realizaron pruebas de verificación, los siguientes son los resultados

obtenidos.

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 2 3 4 5

pHmg/l

horas

Remoción de flúor

Concentración de flúor pH

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57

Gráfica 15: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como absorbente

a 800 rpm.

En la Gráfica 15 tenemos la comparación de la concentración de flúor vs la

remoción de flúor, si bien no se logro la remoción del 50%, si representa un

mayor ahorro, el tiempo necesario para tratar el agua es menor, no fue necesario

las 48 horas empleadas en la Grafica 12, el consumo energético también es

menor, lo que disminuye los costos de tratamiento de aguas.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 2 3 4 5

%mg/l

horas

Remoción de flúor

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58

Gráfica 16: Remoción de flúor vs pH empleando carbonato de calcio como

absorbente a 800 rpm.

La Gráfica 16, permite comprobar nuevamente que no hay variación significativa

en el pH del agua tratada.

0

2

4

6

8

10

12

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 2 3 4 5

pHmg/l

horas

Remoción de flúor

Concentración de flúor pH

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59

Gráfica 17: Remoción de flúor empleando carbonato de calcio como absorbente

a 800 rpm.

En las Graficas 15 y 17 permiten no solo comprobar que es posible retirar el flúor

a una menor velocidad de agitación, también permiten identificar que después de

tres horas de agitación se inicia el proceso de remoción, es cuando logran

romperse las fuerzas electrostáticas que impiden la absorción del flúor en el

carbonato.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

2

4

6

8

10

12

0 2 3 4 5

%mg/l

horas

Remoción de flúor

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60

3.1.6 Caracterización de muestras empleadas en pruebas antes de

remoción de flúor

Laboratorio de control de calidad ambiental Análisis físico-químico de aguas residuales

Parámetros unidades Límite Máximo

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Método de prueba

Conductividad µS/cm 1000 2256 2260 2269 2282 NMX-AA-093-SCFI-2000

T muestra °C 40 30 30 29 29 NMX-AA-007-SCFI-2000

pH 05-10 8.35 8.39 8.39 8.40 NMX-AA-008-SCFI-2000

S.S.T mg/l 75 9.00 10.00 21.00 16.00 NMX-AA-034-SCFI-2001

Solidos Sed ml/l 1 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-04-SCFI-2000

Materia flotan. ausencia ausente ausente ausente ausente ausente NMX-AA-006-SCFI-2000

Grasas/aceites mg/l 15 0.15 0.21 0.50 0.41 NMX-AA-005-SCFI-2000

Hg T mg/l 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-051-SCFI-2001

As T mg/l 0.1 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-051-SCFI-2001

Cd T mg/l 0.1 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-051-SCFI-2001

Pb T mg/l 0.2 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-051-SCFI-2001

Cr T mg/l 0.5 0.12 0.11 0.09 0.10 NMX-AA-051-SCFI-2001

CN- T mg/l 1 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-058-SCFI-2001

Ni T mg/l 2 0.02 0.04 0.07 0.08 NMX-AA-051-SCFI-2001

Cu T mg/l 4 0.02 0.01 0.02 0.00 NMX-AA-051-SCFI-2001

Mn T mg/l --- 0.04 0.01 0.02 0.03 NMX-AA-051-SCFI-2001

P T mg/l 5 0.54 0.28 0.60 3.21 NMX-AA-029-SCFI-2001

Zn T mg/l 10 0.00 0.00 0.00 0.00 NMX-AA-051-SCFI-2001

N T mg/l 15 1.64 1.84 3.51 1.22 NMX-AA-026-SCFI-2010

Fe T mg/l --- 0.06 0.05 0.04 0.05 NMX-AA-051-SCFI-2001

D.Q.O T mg/l 200 58.00 41.00 43.00 39.00 NMX-AA-030-SCFI-2001

F- T mg/l --- 10.01 10.00 10.13 10.05

Método estándar, complejo de alizarin

Adicional al flúor fue necesario conocer la calidad del agua residual que se está

generando en La Compañía, la caracterización permitió identificar que

parámetros pueden o serían alterados mediante el tratamiento con el carbonato

de calcio y la Moringa oleifera, de esta caracterización se logro identificar cuatro

parámetros vulnerables, la conductividad, el pH, sólidos suspendidos totales,

demanda química de oxígeno y flúor.

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61

3.1.7 Caracterización de muestras empleadas en las pruebas después de

remoción de flúor

Laboratorio de control de calidad ambiental Análisis físico-químico de aguas residuales

Parámetros unidades Límite

Máximo Muestra

1 Muestra

2 Muestra

3 Muestra

4 Método de prueba

Conductividad µS/cm 1000 2410 2406 2381 2453 NMX-AA-093-SCFI-2000

T muestra °C 40 * * * * NMX-AA-007-SCFI-2000

pH 05-10 8.52 8.49 8.52 8.55 NMX-AA-008-SCFI-2000

S.S.T mg/l 75 6 40 17 17 NMX-AA-034-SCFI-2001

Sólidos Sed. ml/l 1 0 0 0 0 NMX-AA-04-SCFI-2000

Materia flotan. ausente ausente ausente ausente ausente ausente NMX-AA-006-SCFI-2000

Grasas/aceites mg/l 15 0 0 0 0 NMX-AA-005-SCFI-2000

Hg T mg/l 0.01 0 0 0 0 NMX-AA-051-SCFI-2001

As T mg/l 0.1 0 0 0 0 NMX-AA-051-SCFI-2001

Cd T mg/l 0.1 0 0 0 0 NMX-AA-051-SCFI-2001

Pb T mg/l 0.2 0 0 0 0 NMX-AA-051-SCFI-2001

Cr T mg/l 0.5 0.076 0.07 0.06 0.05 NMX-AA-051-SCFI-2001

CN- T mg/l 1 0 0 0 0 NMX-AA-058-SCFI-2001

Ni T mg/l 2 0.017 0 0.03 0.04 NMX-AA-051-SCFI-2001

Cu T mg/l 4 0.003 0 0.01 0 NMX-AA-051-SCFI-2001

Mn T mg/l --- 0.015 0.11 0.11 0.03 NMX-AA-051-SCFI-2001

P T mg/l 5 0.035 0.04 0.02 0.08 NMX-AA-029-SCFI-2001

Zn T mg/l 10 0 0 0 0 NMX-AA-051-SCFI-2001

N T mg/l 15 0.6 0.6 0.6 0.6 NMX-AA-026-SCFI-2010

Fe T mg/l --- 0.027 0.11 0.38 0.04 NMX-AA-051-SCFI-2001

D.Q.O T mg/l 200 25 5 10 2 NMX-AA-030-SCFI-2001

F- T mg/l --- 1.86 1.8 1.17 1.75 Método estándar, complejo

de alizarin

Después de tratar el agua con carbonato de calcio se realizo una caracterización,

los resultados muestran que se obtuvo un beneficio mayor al esperado, sí bien el

objetivo era disminuir el flúor, los análisis revelaron una disminución en la carga

de contaminaste, adicionales a los contaminantes considerados como

vulnerables, el flúor en promedio disminuyo en 8 mg/l con respecto a su

concentración inicial, es decir se logro una concentración final de 1.7 mg/l.

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62

Otro parámetro que fue beneficiado es la demanda química de oxígeno (DQO)

de una concentración inicial de 58 mg/l se obtuvo 25 mg/l e incluso 2 mg/l.

Los sólidos suspendidos totales presentaron un ligero incremento, pero aun se

encuentran muy por debajo de los límites de la NOM-001-SEMARNAT-1996.

Otro parámetro que se incremento fue la conductividad, pero fue un incremento

muy débil.

De manera general se puede decir que tratar el gua de esta manera permite

reducir varios parámetros algunas de manera muy significativa, y con material

propio de La Compañía.

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63

3.2 Conclusión

Los resultados obtenidos mediante este presente trabajo refieren que se removió

el flúor de las aguas residuales de una industria siderúrgica, mediante el uso de

materiales considerados en desperdicios para el proceso operativo.

Las pruebas de coagulación con polvo de semillas de Moringa oleifera fueron

positivas, sin embargo se presentó la desventaja de material suspendido

producto del polvo de semilla, esto se solucionó empleando soluciones a base

del polvo, se sometieron sobre toda las muestras de efluentes de acería eléctrica

la cual tiene un alto contenido de coloides e históricamente la mayor

concentración de flúor, la turbidez bajo de 52 y 635 NTU a 24 y 167 NTU,

empleando tres concentraciones diferentes 1%, 2% y 3% de polvo de semilla.

Durante las pruebas se pudo observar algunos efectos del polvo de semilla, en

primer lugar el efecto sobre el pH, este presentó una disminución lo cual favorece

respecto al límite establecido por la norma oficial mexicana para límite de

descarga de agua residual, otro efecto fue la poca variación de la conductividad

esta permaneció prácticamente constante independientemente de la

concentración del polvo de semilla, también observó que una agitación rápida

previa a una disminución en la agitación hasta reposo favorece la hidratación y

activación del coagulante natural presente en el polvo de las semillas.

Se observo que en solución el tiempo de activación es menor que emplearlo en

polvo debido a que disminuye el tiempo de activación por la hidratación, y también

que funcionan mejor cuando la turbidez es alta, en muestras donde la turbidez es

baja no es ayuda, al contrario ocasionan problemas de incremento de turbidez.

En el laboratorio no se cuentan con los reactivos y equipos necesarios para

realizar una extracción del coagulante natural de la Moringa oleifera, por lo tanto

no se logró comprobar cuál es la máxima remoción de turbidez que puede

conseguir, al estarse empleando las semillas secas y trituradas, los compuestos

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64

naturales de las semillas no se eliminaron, por ejemplo los aceites naturales, los

cuales se presentaron durante las pruebas. Diversos estudios han demostrado

que al emplear el coagulante natural puro o ultra puro se consigue una remoción

superior a 90%.

Si bien los coagulantes naturales son una alternativa con gran potencial hay un

factor que se debe considerar para su selección, la carga orgánica en el agua

tratada así como la posibilidad de producirse compuestos organoclorados, como

son las tricloroaminas, al reaccionar con el cloro presente en el proceso de

desinfección y otra desventaja que presentan algunos son las altas

concentraciones de estos coagulantes necesarias para obtener la calidad

requerida.

En cuanto a la remoción de flúor, la piedra caliza puede emplearse como medio

absorbente, siendo una opción para un material que permanece acumulándose

en el patio de la empresa, este presenta la ventaja que no incrementa

drásticamente el pH, al contrario su variación es muy baja.

También se observó que retirar los coloides, previo a someter las muestras a

contacto con la caliza da un mayor rendimiento, debido a que o se depositan

sobre la superficie de la caliza, evitando la absorción del flúor. Esto significaría

que en el área operativa sí llegase a implementarse, el tanque de contacto del

agua residual, previo a los filtros es el lugar más adecuado para dosificar el

coagulante natural en solución, posteriormente se podría hacer contacto con la

caliza. Otra ventaja es la reducción del consumo de coagulante sintético

disminuyendo los costos por tratamiento de aguas.

También se observó que entre menor es el tamaño de la piedra caliza mayor es

la superficie de contacto disponible para absorción del flúor, gracias a esto el

mejor tamaño de piedra caliza es 0.16 mm de diámetro, pero este tamaño tiene

una desventaja, debido a la velocidad de mezclado, en periodos prolongados

tiende a reducir su tamaño hasta llegar a talco, y esto es una desventaja porque

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65

es arrastrado por el agua durante su descarga, provocando perdida del

absorbente.

En cuanto al tiempo y la energía eléctrica para la velocidad de agitación necesaria

para la remoción, entre mayor es el tiempo de contacto es mejor el resultado

obtenido, a nivel laboratorio y con un volumen de agua pequeño, no representó

gran costo operativo, en comparación con las áreas operativas, a nivel operación,

es una mejor opción emplear solo 800 RPM que es la mínima velocidad para

lograr la absorción del flúor con la caliza, si bien con esto se logra cerca del 50%,

después de revisar el resto de las descargas, que no tienen flúor en sus aguas

residuales, al ser un volumen mayor al volumen descargado por acería y colada

que si consumen y tienen flúor, este se diluiría.

Sobre la fuente de flúor en las áreas de Reducción directa 1 y 2, parte de las

mediciones eran producto del exceso de cloración y del consumo de agua

proveniente de acería y colada, la presencia de flúor tomó significancia cuando

se inició la recuperación de agua de los canales generales para reducir el

consumo de agua cruda. Esta agua recuperada recibe tratamiento para poder

consumirla nuevamente en el proceso operativo, pero no recibe tratamiento para

remoción de flúor es por ello que tiene presencia en las descargas de agua

residual de estas áreas operativas.

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