instituto politÉcnico nacional secretarÍa de...
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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
II
III
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
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
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
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
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.
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
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
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
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
9
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.
10
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
11
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?
12
¿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.
13
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.
14
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
15
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).
16
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.
17
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.
18
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
19
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.
20
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.
21
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.
22
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
23
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
24
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.
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.
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.
27
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.
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.
29
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.
30
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
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.
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
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.
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.
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,
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.
37
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.
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
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ay-1
3
30-M
ay-1
3
14-J
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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.
39
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
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
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3
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3
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2-M
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3
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3
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ul-1
3
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8-A
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3
27-A
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3
10-S
ep-1
3
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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
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
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3…
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3…
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2-M
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16-M
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3…
30-M
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14-J
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8-A
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3…
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ep-1
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3…
8-O
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3…
22-O
ct-1
3…
5-N
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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
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
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3
31-J
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3
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3
28-F
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3
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3
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3
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3
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3
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3
26-A
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3
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3
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3
6-Ju
n-13
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3
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l-13
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3
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3
15-A
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3
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3
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ep-1
3
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3
17-S
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3
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3
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ct-1
3
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3
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3
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4
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4
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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
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4-Ja
n-13
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3
31-J
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3
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3
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3
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3
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3
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3
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n-13
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3
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l-13
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3
15-A
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3
27-A
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3
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ct-1
3
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3
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14-J
an-1
4
21-J
an-1
4
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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.
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
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3
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3
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3
2-M
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3
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3
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3
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un-1
3
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ul-1
3
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3
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3
10-S
ep-1
3
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3
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3
22-O
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3
5-N
ov-1
3
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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
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
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3
31-J
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3
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3
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3
16-M
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3
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3
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3
27-J
un-1
3
11-J
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3
25-J
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3
8-A
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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
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.
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
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
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
49
del pH, lo volvió ligeramente ácido, pero no sobrepasa los límites enlistados en
la NOM-001-SEMARNAT-1996.
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
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5
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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
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
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40
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90
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0
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6
7
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9
10
1 2 3 4 5 6 7 8
mlmg/l
horas de contacto
Remoción de flúor empleando una solución sintética 501
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.
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
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
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
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
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
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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
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
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
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.
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.
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.
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
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
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.
66
Bibliografía
1. Adalco, G. R. (2005). Control de fluoruros con recuperación de producto.
Santander: Universidad de Cantabria.
2. Alves, B. A., Ferri, C. P., Freitas, C. P., Gutierres, G. R., Fernandes, V.
M., Bergamasco, R., y otros. (2015). Coagulation-floculation process with
ultrafilteres saline extract of Moringa oleifera for the treatment of surface
water. ELSEVIER , 166-173.
3. ATSDR. (06 de mayo de 2016). Agencia para Sustancias Tóxicas y el
Registro de Enfermedades. Recuperado el 20 de junio de 2026, de
Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades:
http://www.atsdr.cdc.gov/es/toxfaqs/es_tfacts11.html
4. CANACERO. (1988). Documento informativo. México, D.F.: CANACERO.
5. Choi, A. L., Sun, G., Zhang, Y., & Grandjean, P. (2012). Developmental
Fluoride Neurotoxicity: A Systematic Review and Meta-Analysis.
Environmental Health Perspectives , 1-7.
6. Cogollo, F. J. (2010). Clarificación de aguas usando coagulantes
polimerizados: caso del hidroxicloruro de aluminio. Dyna, Año 78, Nro.
165, pp. 18-27. Medellin, Febrero de 2011. ISSN 0012-7353 , 5419.
7. de Andrade, L. L., da Silva, F. R., Aparecida, S. L., Aparecida, S.-L. R.,
Vilela, O. M., Guedes, P. P., y otros. (2013). Structural characterization of
coagulant Moringa oleifera Lectin and its effect on hemostatic
parameters. ELSEVIER , 31-36.
8. de Victoria Almeida, J. L., Galván García, M., & Mendoza Rosas, F.
(2002). Estudio de tres procesos para a reducción del contenido de
fluoruros en aguas de abastecimiento público y su efecto sobre la
remoción de arsénico. AIDIS , 1-6.
9. Duke, A. J., Gogesnschutz-Godwin, M. J., duCellier, J., & Duke, P.-A. K.
(2003). CRC Handbook of Medicinal Spices. New York: CRC PRESS.
10. FAO. (12 de noviembre de 2015). Food and Agriculture Organization of
the United Nations. Recuperado el 17 de junio de 2016, de Publications:
http://www.fao.org/home/en/
67
11. Fawell, J.; Bailey, K.; Chilton, J.; Dahi, E.; Fewtrell, L.; Magara, Y.;.
(2006). Fluoride in Dirnking-water. London*Seattle: World Health
Organization.
12. Gallego, P. A. (2012). Contaminación atmosférica. Madrid: Universidad
Nacional de Educación a Distancia.
13. Godoy, A. J. (2003). Aplicación medios filtrantes para reducción de
fluoruros en agua de consumo. Guatemala: BVSDE.
14. Guzman, L., Villabona, A., Tejeda, C., & García, R. (2013). Reducción de
la turbidez del agua usando coagulantes naturales: una revisión. UDCA
actualidad & divulgación cientifica Vol. 16 No. 1 , 253-262.
15. Industrias, S. (2009). HLC Hydronics Projetos e equipamentos LTDA.
Recuperado el 19 de Septiembre de 2013, de
http://www.hydronics.com.br/
16. INECC. (2005). Geo México 2004. Recuperado el 16 de 12 de 2015, de
http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/448/12.pdf
17. Jingxi, T., Mengbin, J., Hanchao, L., Shuai, Z., & Xiwang, Z. (2015).
Acomparison between Moringa oleifera seed presscake extract and
polyaluminum chloride in the removal of direct black 19 from synthetic
wastewater. ELSEVIER , 530-534.
18. King, H. (2013). Geology.com. Recuperado el 13 de Diciembre de 2015,
de http://geology.com/rocks/limestone.shtml
19. Klein, C., & Hurbut, C. (2003). Manual de minerología, Volumen 2.
Madrid, España: REVERTE S.A. .
20. M.F., C., & J.C., L. (2007). Precipitation Removal of fluoride from
semiconductor wasterwater. Journal of Environmental Engineering, vol
133 No. 4, April 1 , ISSN 0733-9372/2007/4-419-425.
21. Martín, C., Martín, G., García, A., Fernandez, T., Hernández, E., & Puls,
J. (2013). Potenciales aplicaciones de Moringa oleifera. Una revisíon
crítica. SciELO , 394.
22. Mendoza, R. A., Montañés, S. M., & Palomares, G. A. (1998). Ciencia y
Tecnología del Medio Ambiente. Valencia: REPROVAL S.L.
68
23. Moffit, A. (2012). Hierro y acero Industrias basadas en recursos
naturales. En O. I. Trabajo, Enciclopedia de salud y seguridad en el
trabajo (pág. 73.1). Madrid, España: Chantal Dufresne, BA.
24. Nalco, C. C. (1990). Manual del agua, su naturaleza, tratamiento y
aplicaciones. México: McGraw-Hill.
25. NALCO, C. C. (2014). The Nalco Guide to Cooling Water Systems
Failure Analysis, Second Edition. New York: McGraw-Hill Education.
26. Nemerow, N. L. (2007). Industrial Waste Treatment: Contemporary
Practice and Vision for the Future. Oxford: Butterworth Heinemann.
27. Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996, Que establece los
limites máximos permisibles de contamianates en las descargas de
aguas residuales en aguas y bienes nacionales.
28. Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, "Salud ambiental, agua
para uso y consumo humano-limites permisibles de calidad y
tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilizacion".
29. Olivero, V. R., Mercado, M. I., & Montes, G. L. (2013). Remoción de la
turbidez del agua del río Magdalena usando el mucílago del nopal
Opuntia ficus-indica. Scielo , 45.
30. Palau, S. R., & Sole, R. &. (2006). Sole r& Palau. Recuperado el 2013 de
Septiembre de 2013, de http://www.solerpalau.cl
31. Parker, A. (2006). Contaminación del aire por la industria. Barcelona:
Editorial Reverte S.A.
32. Rosal, R. (9 de noviembre de 2007). Universidad de Alcalá. Recuperado
el 8 de julio de 2014, de http://www3.uah.es/rosal/News/N001.htm
33. Salud, O. P. (2005). Guía para el mejoramiento de la calidad del agua a
nivel casero. CONSUDE , 20-23.
34. Salud, O. P., & Salud, O. R. (Enero de 2005). Curso de autoinstrucción
Orientación para el control de la contaminación del aire. Recuperado el
19 de Septiembre de 2013, de http://www.bvsde.paho.org
35. Sánchez, M. J., Beltrán, d. H., Carmona, M. C., & Gilbello, P. P. (2011).
Adsorbentes naturales a partir de taninos. Una propuesta de reutilización
69
de residuos forestales para la purificación de aguas. Cuaderno
interdisciplinario de desarrollo sostenible (CUIDES) , 125139.
36. Trejo Vázquez, R., & Hernández Montoya, V. (2004). Estdo del arte de la
remoción de fluoruros del agua. Conciencia Tecnológica .
37. Trejo, G. E., & Moreno , B. T. (2007). Tratados internacionales vigentes
en México: relación de Legislaturas y/o Períodos Legislativos en que
fueron aprobados. México, D.F.: Camara de Diputados.
38. Weber, J. W. (2003). Control de la calidad del agua procesos
fisicoquímicos. México: Editorial REVERTE, S.A.