Métodos de tratamiento para reducir el arsénico

Tecnologías para la eliminación del arsénico

Se han propuestos numerosas métodos para reducir el arsénico del agua, tanto el de origen natural como el de origen antrópico. No obstante, la inmensa mayoría suponen un alto coste a la vez que un complicado uso y mantenimiento.

Los tratamientos desarrollados describen diversos mecanismos mediante los cuales puede removerse el arsénico, entre ellos cuando se combinan sus iones con metales como el hierro, el aluminio, principalmente, o el itrio y el lantano. Estos metales pueden adsorber el arsénico ya que precipitan masivamente en forma de hidróxidos.

Existen diferentes métodos de tratamiento para reducir el arsénico presente en el agua y alcanzar los niveles de los valores guía de agua para consumo humano.

Debido a que el As⁺⁵es más fácil de remover que el As⁺³, el tratamiento se inicia con la oxidación del As⁺³a As⁺⁵. Los oxidantes más utilizados son: cloro, hipoclorito de calcio y permanganato de potasio.

Existen diversas técnicas que pueden ser utilizadas para llevar a cabo la remoción de arsénico:

Coagulación/filtración	Es un proceso de tratamiento por el cual las cargas eléctricas de las sustancias coloidales disueltas o suspendidas son neutralizadas con la adición de sustancias insolubles en el agua, lo que permite la formación de partículas mayores o aglomerados que pueden ser eliminadas por sedimentación o filtración. El tipo y la dosis del coagulante y el pH influyen en la eficiencia del proceso. El rendimiento del sulfato de aluminio es ligeramente menor que el del sulfato férrico. A un pH de 7,6 o menor, ambos coagulantes tienen la misma eficiencia de remoción, sin embargo el sulfato férrico remueve mejor a un pH menor de 7,6. Se determinó que a dosis mayores de 20 mg/l de cloruro férrico ó 40 mg/l de sulfato de aluminio se alcanza una remoción de As⁺⁵ de más del 90 %. A bajas dosis de coagulantes la remoción de As⁺⁵es menor.
Alúmina activada	Es un tipo de intercambio iónico, donde los iones presentes en el agua son adsorbidas por la superficie oxidada de la alúmina activada. Es altamente selectiva para remover el As⁺⁵ y efectiva para tratar agua con alto contenido de sólidos disueltos totales. En la superficie de adsorción de la alúmina activada pueden interferir el selenio, fluoruro, cloruro y sulfato. Este método tiene alta remoción de arsénico a pH 8,2. La alúmina activada adsorbe preferentemente H₂AsO₄^- (As⁺⁵) más que H₃AsO₃ (As⁺³) además de otros iones competitivos, tal como se muestra en la siguiente relación: OH^-> H₂AsO₄^->Si(OH)₃O^- >F^- >HSeO₃^->TOC>SO₄^2->H₃AsO₃
Ósmosis inversa	Es un proceso para eliminar las sustancias disueltas presentes en el agua, forzando la circulación del agua por una membrana semipermeable bajo una presión superior a la osmótica. Tiene una eficiencia de más de 95 % de remoción de arsénico disuelto. Este método es efectivo para remover arsénico de aguas subterráneas. El rendimiento del proceso con ósmosis inversa es afectado principalmente por la turbiedad, hierro, manganeso y sílice.
Intercambio iónico	Es un proceso físico y químico, en el cual los iones de una especie dada son desplazados de un material insoluble de intercambio (resina) por otros iones que se encuentran en solución. Remueve efectivamente el arsénico en el rango de pH entre 8 y 9. No obstante, el selenio, fluoruro, nitrato y sólidos disueltos totales compiten con el arsénico y afectan la duración del proceso. Las consideraciones que se tiene en este proceso comprende el pH, iones competitivos, tipo de resina, alcalinidad, concentración de arsénico en el afluente, disposición de la resina y los regenerantes usados, efectos secundarios de la calidad del agua y los parámetros de diseño de la operación. La resina básica de intercambio iónico adsorbe los iones con la siguiente preferencia: HCrO₄^-> CrO₄^2- >ClO₄^->SeO₄^2- > SO₄^2->NO₃^-> Br^->(HPO₄^2-, HAsO₄^2-, SeO₃^2-, CO₃^2-)>CN^->NO₂^- > Cl^- > (H₂PO₄^2-, H₂AsO₄^-, HCO₃^-)> OH^-> CH₃COO^->F^-
Nanofiltración	Es un proceso de separación liquida mediante membranas operadas bajo presión que permite el paso de solventes y sales monovalentes, iones metálicos y pequeñas moléculas orgánicas de peso molecular en el rango de 200 a 1000. Se puede remover el As⁺⁵ y el As⁺³ disueltos en el agua. Con este método se alcanza hasta una remoción de 90% de arsénico disuelto en aguas subterráneas. Este proceso no es tan apropiado para tratar aguas superficiales debido al extensivo pretratamiento que se requiere para remover partículas sólidas o coloidales del agua. La remoción depende de los parámetros de operación, propiedades de la membrana y el estado de oxidación del arsénico
Ablandamiento con cal	Es un método usado para remover la dureza del agua y consiste en adicionar cal (Ca(OH)₂) al agua. Este método es efectivo para remover As⁺³ó As⁺⁵ y la eficiencia de la remoción está en función del pH. Este método tiene un alto rendimiento para remover concentraciones de arsénico de 50 µg/L; sin embargo para reducir a 1 µg/l se necesita de un tratamiento secundario. La remoción de As⁺⁵ es mayor al 90 % a un pH de 10.5 o más, siendo el pH óptimo de operación mayor que 10.5. Por debajo del rango del pH óptimo la remoción disminuye a menos del 20%. En el sistema de ablandamiento con cal se produce una considerable cantidad de lodo.

En la selección del método de tratamiento de agua se considera la concentración del arsénico y otros contaminantes presentes en el agua por las interferencias que causan en el tratamiento. En el caso de la alúmina activada los factores que afectan la remoción de arsénico son pH, estado de oxidación del arsénico, los iones competitivos, tiempo de contacto y regenerante. Otros factores a tener en consideración son la disposición de los regenerantes y de la alúmina usadas.

En las áreas rurales se están desarrollando sistemas de tratamiento del arsénico usando arcillas naturales y activadas seguidos de filtración. Como oxidante se usa el hipoclorito de calcio. Con está técnica se logra una remoción de arsénico de más del 95%.

Es importante tener en cuenta el manejo de los residuos generados en el tratamiento de aguas contaminadas por arsénico, es decir, los lodos ya que éstos también van a presentar altos niveles de arsénico.

En las plantas de tratamiento de agua el As^{+ 5} puede ser removido en forma efectiva por coagulación con sulfato de Al o Fe y por los procesos de ablandamiento con cal y soda. Los coagulantes señalados se hidrolizan formando hidróxidos, sobre los cuales el As^{+ 5} se adsorbe y coprecipita con otros iones metálicos. De acuerdo con la literatura, aguas naturales con gran cantidad de coloides requieren de altas concentraciones de coagulantes para lograr eficiencias de remoción semejantes a las señaladas en la siguiente tabla:

Coagulante	Arsenato( As^{+ 5})	Arsenito (As^{+ 3})
Coagulante	Remoción (%) pH	Remoción (%) pH
Sulfato férrico Fe₂( SO₄)₃	100 < 9,0	20 < 9,0
Sulfato de alumina Al₂( SO₄) ₃	90 < 7,0	50 < 7,0

Eficiencia de coagulantes en la remoción de arsénico

La remoción de arsénico con procesos convencionales de coagulación con sales de Al y Fe y ablandamiento con soda dependen del pH del agua tratada, del tipo y dosis de coagulante así como de la concentración inicial de este elemento.

Cuando la concentración de arsénico en el agua cruda es superior a 1,0 mg/l, la remoción de arsénico disminuye a medida que aumenta la concentración inicial, particularmente, si se usa sulfato de aluminio. La coagulación con sulfato de aluminio o cloruro férrico no remueve en forma tan eficiente el As^{+ 3}como en el caso del As^{+ 5}. El primero requiere de oxidación preliminar para ser removido por coagulación convencional y/ o ablandamiento con cal y/ o soda.

Con la precloración se obtiene una remoción del As^{+ 3} similar a aquella alcanzada para el As^{+ 5} con el mismo tratamiento. Esto se debe a que las constantes de disociación del As^{+ 5} son menores que las del As^+
3y por lo tanto su disociación es mayor. Esto es consecuencia de la mayor eficiencia de remoción del arsenato frente a la del arsenito, lo que a su vez justifica la oxidación del agua subterránea antes del tratamiento.

La oxidación del arsenito a arsenato se produce según las siguientes reacciones:

H₃AsO₃ + H₂O +[ Ox] ® H₂AsO₄ ^- + 3H⁺

H₃AsO₃ + H₂O + [ Ox] ® HAsO₄-2 + 4H⁺

Después de la oxidación, el As^{+ 5} se debe adsorber en los llamados flocs formados por la coagulación de los coloides presentes en la masa de agua por acción del hidróxido de aluminio o del hierro. Probablemente la adsorción se produzca más por un efecto físico que químico, debido a las fuerzas de atracción superficiales que posibilitan el fenómeno.

Probablemente los mecanismos que rigen la remoción del arsénico (soluto) por las arcillas y/ o hidróxidos metálicos (sorbentes) dependan de interacciones moleculares del sistema arsénico/ agua/ hidróxido- arcilla, donde se establecen enlaces que permiten que las superficies activas complejen al arsénico presente en el agua, por reacciones químicas intermoleculares entre el arsénico y la superficie activa, y entre el arsénico y el agua. Para favorecer la adsorción se debe asegurar el mayor contacto posible entre las dos fases, por ello resulta de fundamental importancia las reacciones entre el arsénico y la superficie, mediante enlaces coordinados formados por hidrólisis, complejación superficial, intercambio de ligantes y enlace de hidrógeno.

También son de importancia las interacciones eléctricas en la superficie ( electrostática y de polarización) y las interacciones del arsénico con el agua ( dependientes del pH y pE del medio).

Probable mecanismo de remoción por adsorción a través de la superficie del complejo arcilla-hidróxido

a) En un sistema acuoso, la superficie del floc arcillas-hidróxidos puede presentar grupos hidroxílicos (S–OH) producto de la coordinación de los iones metálicos con el agua. Estos grupos pueden ganar protones del agua, confiriendo a la superficie carga positiva, o perder protones, dando como resultado superficies con carga negativa. Los iones que determinan el potencial de la superficie de los óxidos hidratados no polarizables son el ión hidonio, H₃O⁺ y el ión hidróxilo OH^-.

En la superficie de floc se puede presentar cambios en su grupo estructural OH^-, por la reacción con los arsenatos o ligantes disueltos, exhibiendo propiedades de ácido fuerte. El intercambio de ligantes puede involucrar cambios en la superficie de los flocs de arcilla-hidróxidos de hierro o aluminio, OH^-, como en las reacciones:

S–OH + L --> S–L⁺ + OH^-

y/o la reacción

2S–OH + L --> S₂L⁺² + 2OH^-

S₂L⁺²+ HAsO₄ ^-2 adsorción del As⁺⁵ en el floc.

La adsorción de los arsenatos en el sistema arcilla-hidróxido, va a depender de la densidad de grupos OH^- y su selectividad con respecto a otros aniones del agua.

Otra forma posible de remoción del arsénico del agua es la adsorción de los arsenatos del mismo conjunto o a través de iones de otros elementos disueltos que producen complejos superficiales ternarios como:

1) S–OH + M^z++ L --> S–ML₁^(z-1)+ H⁺ S-ML₁^(z-1) + AsO₄^-2 adsorción de As⁺⁵

donde el catión metálico adsorbido no coordina completamente los ligantes superficiales y se completa con otros ligantes (IL) disueltos en el agua. En este caso el catión funciona como "puente" entre la superficie y el ligante S-OM-L, el cual produciría la adsorción del arsenato al ligante.

2) S–OH + L + M^z+ --> S–L–M^(z+1)+ + OH^- S–L–M + AsO₄ ^-2 adsorción de As⁺⁵

donde el ligante L, es directamente adsorbido al centro de coordinación S, y el catión completa la coordinación superficial. Este tipo de complejos se forma con ligantes L polidentados que forman un "puente" entre la superficie y el catión S–L–M y sobre este se adsorbería el arsenato por acción electrostática

La carga superficial resultante y el pH son factores determinantes en la adsorción posterior y en las interacciones arcilla-hidróxido/arsenatos, respectivamente. Debido a las transformaciones químicas superficiales en los sorbentes, ésta puede cambiar sus propiedades y su capacidad de remoción del arsénico en los medios seleccionados.

b) Lo que habría que evaluar es la reacción de quimisorción entre la arcilla con carga negativa y la superficie arcilla-hidróxido con grupos funcionales OH ya que podría competir con la reacción de adsorción de los arsenatos. En estas evaluaciones debe considerarse que las arcillas activadas son buenos intercambiadores de iones, se comportan como un ácido sólido y presentan un volumen de poro medio de 600 °.

También habría que evaluar las reacciones de quimisorción producidas entre las arcillas y los grupos OH de los hidróxidos. Los precipitados de hierro Fe(OH)₃ y aluminio Al( OH)₃son los productos finales de la hidrólisis de los coagulantes Al₂(SO₄)₃, y FeCl₃ disueltos en el agua y se forman en mayor cantidad relativa a un pH de 6,5 a 7,00 para el aluminio y un pH de 7,5 a 8,0 para el hierro. El precipitado de Fe(OH)₃ es casi insoluble a pH de 3,0 a 13,0 y, en condiciones alcalinas precipita según la reacción Fe^{+ 3} + 3OH^- = Fe(OH)₃. El floc de Fe(OH)₃ a pH < 6,5 tiene una carga superficial positiva y a pH > 8,0 una carga superficial negativa. En el rango de pH entre 6,5 y 8,0 la carga superficial es mixta. La menor solubilidad del Fe( OH) 3 es a pH = 8,0. Las especies solubles de hierro a pH < 6,0 son Fe^{+ 3} con mayor concentración a pH < 3,0 y predominio de FeOH^{+ 2} a pH < 4,0 y Fe( OH)₂^-, con una mayor concentración un pH entre 5 y 7. A un pH > 10.0 las especies solubles predominantes son el Fe( OH)₄^-.

A un pH < 6,0 las especies predominantes son el Fe⁺³, FeOH^{+ 2} y Fe(OH)₂⁺ los cuales favorecen la adsorción de los iones arsenato. Pero en este mismo rango la capacidad de adsorción de los arsenatos por el hidróxido férrico está limitada por la carga superficial negativa del mismo. Esto puede explicar por qué se obtienen mejores remociones de arsénico con el cloruro férrico en un rango de pH entre 7 y 7,5 en donde la remoción de arsénico se efectuará por adsorción y coprecipitación tanto de las especies catiónicas como de los precipitados del hidróxido Fe(OH)₃ con los que en forma conjunta el arsénico coprecipita y sedimenta rápidamente.

El precipitado de Al(OH)₃ que en realidad es AlO₃xH₂0 tiene carga superficial positiva a pH < 7,6 y negativa a pH > 8,2. En el rango de pH entre 7,6 y 8,2 la carga superficial es mixta. A pH = 4,0 predominan las especies de Al^{+ 3}, mientras que a un pH = 9,0 predominan las especies aniónicas Al(OH)^4-. En todos los casos de remoción de arsénico por coagulación y adsorción se debe producir con mayor eficiencia a un pH < 7,0, donde se presentan las especies catiónicas de hierro y aluminio más efectivas, y la competencia del grupo hidroxilo es reducida.

Eliminación del arsénico del agua usando luz solar y aire

Investigadores australianos desarrollaron un método muy simple para eliminar el arsénico del agua potable (y también residuos mineros) usando únicamente luz solar y aire (Yong, 1996). En Faridpur (Bangladesh) existe una unidad potabilizadora de agua, de casi un siglo de antigüedad, que reduce la concentración de arsénico en agua (por debajo de los estándares del país) simplemente por medio de luz solar y filtración.

Unidad potabilizadora de agua en Faridpur. Reduce la concentración de arsénico de 220 µg/l a 42 µg/l.

La radiación ultravioleta de la luz solar cataliza la oxidación del arsénico disuelto a la forma menos tóxica, la cual puede ser precipitada en forma de arsenato férrico y posteriormente eliminada.

En Bangladesh entre 1998 y 1999 se llevaron a cabo estudios basados en el uso de luz solar, aire, en algunos casos hierro, recipientes de barro y filtros de arena que dieron unos resultados sorprendes. Los efluentes del lavado ácido se mezclan con los del lavado básico y el residuo arsénico resultante se deposita en una fosa preparada en el suelo con una cama de estiércol de vaca. Los microorganismos del estiércol transforman el arsénico en arsina gaseosa. Este método parece una solución barata para uno de los problemas más graves con los que se enfrentan algunas de las poblaciones más pobres de nuestro planeta.

Eliminación del arsénico aplicando electrotratamiento

Este método propuesto por investigadores de la Universidad Autónoma de México permite la removilización del arsénico disuelto en el agua por medio de electrodos de hierro que propician la adsorción de los iones presentes en este elemento. Los experimentos realizados con este método permitieron obtener eficacias superiores al 90%.

La ventaja con la que parece contar este método es que no requiere variar las condiciones iniciales de pH ni que no se produce un cambio bruscos de las mismas al finalizar el proceso.

Introducción	El arsénico	El arsénico en el agua	Procedencia	Toxicidad	Tecnologías de eliminación	Problemática en Castilla y León

Tecnologías para la eliminación del arsénico

Probable mecanismo de remoción por adsorción a través de la superficie del complejo arcilla-hidróxido

Eliminación del arsénico del agua usando luz solar y aire

Eliminación del arsénico aplicando electrotratamiento

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