Coagulantes naturales de origen vegetal

Introducción

El agua es un recurso esencial para los seres vivos, es el líquido vital para la sustentación de la vida que permite la sobrevivencia del ser humano en el planeta. Este recurso se encuentra en la naturaleza en distintas formas: nevados, lagunas, cursos de aguas superficiales (riachuelos y ríos) y agua subterránea, sin embargo en algunos de los casos el agua presenta impurezas y para remover esta coloración se utiliza la clarificación, la cual por medio de un proceso de coagulación-floculación logra llevar el agua a condiciones deseadas en la potabilización.

En los países en desarrollo, los procesos de coagulación y floculación para el tratamiento de agua se realiza utilizando materias primas importadas. Por ejemplo, Costa Rica ha importado alrededor de 3.000 toneladas anuales de sulfato de aluminio, equivalentes a medio millón de dólares por año (costo en aduanas) durante los últimos 5 años (Vargas, Romero 2006)

En un intento de eludir los problemas asociados con los métodos de purificación convencionales, los coagulantes – floculantes de origen vegetal son una alternativa en la remoción de contaminantes en el agua. El objetivo de este trabajo es indagar y divulgar las experiencias obtenidas en la clarificación del agua, usando coagulantes de origen natural con el fin conocer las ventajas que se presentan en cuanto a costo y beneficio.

Propiedades del agua

El agua que abunda en la naturaleza, y más o menos pura, forma la lluvia los ríos y los mares, posee propiedades peculiares físicas y químicas que provienen en gran parte de su cohesión interna extraordinaria cuando se compara con otro liquido. Esta claro que es una molécula muy polar, un fenómeno con implicaciones enormes para los sistemas vivientes, además las moléculas se asocian mediante enlaces de hidrogeno, una interacción crucial tanto para las propiedades del agua en si como por su papel como solvente bioquímica. El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia y se debe en gran parte a las uniones intermoleculares. La estructura del hielo es un gran ejemplo para explicar esta idea, algunos estudios demuestran que el agua esta rodeada en forma de tetraedro por cuatro vecinos mas cercanos a los que se une el hidrogeno, como consecuencia de esta estructura abierta el agua se expande con el congelamiento ( 0°C el agua tiene una densidad de 1.00g m L-1 mientras que el hielo tiene una densidad de 0.92 g m L-1. (Voet D. 2006).

El agua permite la disociación de la mayoría de las sales minerales, es decir posee un alta constante dieléctrica, además tiene un elevado calor especifico por lo que el hombre puede absorber o perder bastante calor con escasa modificación de la temperatura corporal y una característica de la cual se valen algunos organismos es la tensión superficial, es decir sus moléculas se ordenan de modo que la superficie libre sea mínimo.

Calidad y cantidad de agua

Aunque el agua es el elemento mas frecuente de la tierra, únicamente el 2.53% del total de agua es dulce y el resto salada. Aproximadamente 2/3 del agua dulce se encuentran inmovilizadas en glaciares y al abrigo de nieves perpetuas (UNESCO, 2003). Adicional a eso la calidad y cantidad de agua disponible están siendo afectadas por el aumento de la contaminación por parte de fuentes puntuales y no puntuales tales como las industrias y la agricultura respectivamente y el constante incremento poblacional. (Mollah et al, 2004).

En relación a lo mencionado anteriormente mencionado, tanto los criterios como estándares y objetivos de calidad de agua varían dependiendo de si se trata de agua para consumo humano (agua potable), para uso industrial o agrícola, para recreación, etc.

Relación de la disponibilidad de agua y la población

Fuente: Sitio Web de UNESCO-PHI (Oficina regional de ciencias para América latina y el caribe)

Actualmente, 1.100 millones de personas carecen de instalaciones necesarias para abastecerse de agua y 2.400 millones no tienen acceso a sistemas de saneamiento. En el círculo vicioso de la pobreza y la enfermedad, el agua y el saneamiento insuficientes constituyen a la vez la causa y el efecto: aquellos que no disponen de un suministro de agua suficiente y abordable son, invariablemente, los más pobres (UNESCO, 2003).

Potabilización del agua

Se denomina agua potable a aquella que pose ciertas características químicas, físicas y biológicas aptas para consumo humano y animal sin riesgo de contraer enfermedades (Romero, 2008), es decir el agua que ha sido tratada para consumo humano regida por estándares de calidad determinados por las autoridades.

Al proceso de conversión de agua común en agua potable se le denomina potabilización. Suele consistir en un stripping de los compuestos volátiles seguido de la precipitación de impurezas con floculantes, filtración y desinfección con cloro u ozono.

4.1 Pasos fundamentales en el proceso de potabilizacion

TOMA DEL RIO. Punto de captación de las aguas; REJA. Impide la penetración de elementos de gran tamaño (ramas, troncos, peces, etc.).

DESARENADOR. Sedimenta arenas que van suspendidas para evitar dañar las bombas.

BOMBEO DE BAJA (Bombas también llamadas de baja presión). Toman el agua directamente de un río, lago o embalse, enviando el agua cruda a la cámara de mezcla.

CAMARA DE MEZCLA. Donde se agrega al agua productos químicos. Los principales son los coagulantes (sulfato de alúmina), alcalinizantes (cal)

DECANTADOR. El agua llega velozmente a una pileta muy amplia donde se aquieta, permitiendo que se depositen las impurezas en el fondo. Para acelerar esta operación, se le agrega al agua coagulante que atrapan las impurezas formando pesados coágulos. El agua sale muy clarificada y junto con la suciedad quedan gran parte de las bacterias que contenía.

FILTRO. El agua decantada llega hasta un filtro donde pasa a través de sucesivas capas de arena de distinto grosor. Sale prácticamente potable.

DESINFECCIÓN. Para asegurar aún más la potabilidad del agua, se le agrega cloro que elimina el exceso de bacterias y lo que es muy importante, su desarrollo en el recorrido hasta las viviendas.

BOMBEO DE ALTA. Toma el agua del depósito de la ciudad.

TANQUE DE RESERVA. Desde donde se distribuye a toda la ciudad. Muestras tomadas en distintos lugares del sistema.

CONTROL FINAL. Antes de llegar al consumo, el agua es severamente controlada por químicos expertos, que analizan

Purificación del agua

La clarificación del agua tiene por objeto retirar los  sólidos  suspendidos, sólidos  finamente divididos  y materiales  coloidales, convirtiéndolos en partículas más grandes que se pueden remover con mayor facilidad (Cogollo, 2010). Es uno de los procesos más importantes en la potabilizacion del agua en el cual se incluyen tres subprocesos de coagulación floculacion y sedimentación. Primero, se agregan los coagulantes. Los coagulantes reducen la carga de iones, de modo que acumulan las partículas en formas más grandes llamadas flóculos. Los flóculos se depositan por gravedad en tanques de filtración o se quitan mientras que el agua atraviesa un filtro de gravedad.

5.1 Coagulación-floculación de las impurezas del agua.

La coagulación es el método más importante para la remoción de partículas coloidales y suspendidas (80 a 90% de remoción), (Metcalf, 1979) del agua en su potabilización. Además de reducir la turbidez del agua, la coagulación parcialmente remueve el color, bacterias (80 a 90%), (Metcalf, 1979) y virus (Kelderman & Kruis, 2001).

Las partículas coloidales en el agua están por lo general cargadas negativamente, debido a la presencia de grupos COO¯ y OH¯ , reemplazo de iones Si4+ por iones Al3+ o por la absorción en la superficie de iones por fuerzas de van der Waals (Van Bremen, 2001; Kelderman & Kruis, 2001). La carga negativa en la superficie causa repulsión entre las partículas, evitando la aglomeración y formación de partículas más grandes que sedimentarían más fácilmente. Debido a la combinación de factores de tamaño de partícula pequeño y superficie cargada negativamente, las suspensiones coloidales son muy estables (Kelderman & Kruis, 2001).

El coagulante remueve estas partículas cargadas negativamente mediante iones cargados positivamente, de esta manera se produce la aglomeración mediante fuerzas de van der Waals, para posteriormente formar microfloculos y mas tarde floculos que pueden sedimentarse fácilmente (Kelderman & Kruis, 2001).

5.2 coagulantes

En el proceso de coagulación se forman pequeñas partículas gelatinosas mediante la adición de el coagulante al agua y la aplicación de energía de mezclado, que desestabiliza las partículas suspendidas por neutralización de las cargas coloides cargados negativamente (Cogollo, 2010). En este orden de ideas los coagulantes que se usan deben ser iones positivos como compuestos hechos a base de sales de hierro y aluminio. los mas ampliamente usados son el sulfato de aluminio, cloruro de hierro (II) y sulfato de hierro (II). Cada coagulante tiene un  rango  específico  de pH  donde tiene la mínima solubilidad y ocurre la máxima precipitación dependiendo, también, de las características  químicas  del agua cruda. Con  excepción del aluminato de sodio, estos  coagulantes  son sales ácidas  que disminuyen  el  pH  del agua. Por esta razón y dependiendo  del  agua a tratar, es necesario agregar un álcali como  cal, soda ash o soda cáustica (Cogollo, 2010).

5.3 floculantes artificiales

Estos consisten en macromoléculas (masa molar 106-107) de cadenas largas obtenidas de la asociación de monómeros sintéticos, algunos de los cuales tienen grupos ionizables y cargas eléctricas. Los floculantes se clasifican en aniónicos (usualmente arcrilamidas y copolímeros de acido acrílico), neutros (básicamente poliacrilamidas) y catiónicos (copólimeros de archilamida y monómeros catiónicos) (Degremont, 1991).

Coagulantes naturales

Entre los coagulantes naturales están los de origen orgánico que se encuentran en ciertas plantas. Son de diversos tipos, incluyen semillas en polvo del árbol Moringa olifeira, tipos de arcilla tales como la bentonita, el polvo de pepas de durazno, las habas, penca de tuna y una de las más antiguas es la fariña obtenida de la planta conocida como mandioca o yuca (Okuda et al., 2001).

6.1 Penca de Tuna

La penca o tuna es una especie que alcanza gran porte puede crecer hasta 12 m de alto. Presenta un tronco principal grueso y leñoso. Se caracteriza por la presencia de frutos ovoides, lisos de color verde aun cuando estén maduros. Sus flores son verdoso rosadas no mayores de 10 cm de largo. Ramas con ondulaciones longitudinales, con 8 a 20 costillas.

El coagulante de origen orgánico Cactus lefaria ha sido ampliamente usado en los estados de Lara y Falcon, como sustitúyente del sulfato de aluminio en el proceso de clarificación del agua. Martinez y colaboradores, investigadores de la universidad de Zulia realizaron un estudio para evaluar la eficiencia de Cactus lefaria como coagulante natural. los ensayos se realizaron a escala de laboratorio, preparando aguas turbiaz sinteticas con valores de turbidez iniciales de 20 a 150 UNT. los estudios realizados demuestran que la planta remueve la turbidez entre un 80 y 90 %.

En localidades rurales o apartadas se emplea el cactus como un clarificador natural, siguiendo la metodología establecida en el libro "Tecnologías Apropiadas en Agua Potable y Saneamiento Básico" (Pan American Health Organization (PAHO) / Organización Panamericana de la Salud (OPS)).

6.2 Mandioca o yuca

Manihot esculenta pertenece a la familia Euphorbiaceae constituidas por unas 7200 especies que se caracterizan por su notable desarrollo de los vasos laticíferos, compuestos por células secretoras llamadas galactositos. es un arbusto perenne. Es monoica de ramificación simpodial y con variaciones en la altura de la planta que oscilan entre 1 y 5 m, aunque la altura máxima generalmente no excede los 3 m (Ceballos, H y Cruz, A 2002). Canepa y colaboradores en su estudio Mezclas con potencial coagulante para tratamiento de lixiviados de un relleno sanitario demostraron que plantas con alto contenido de almidones como el platano o la yuca son buenos en el proceso de coagulación-floculacion en lixiviados.

6.3 Moringa oleifera

Moringa oleifera es una de las plantas en los que mas se han hecho estudios en la evaluación como coagulante natural. La utilización de las semillas de moringa molidas ha dado muy buenos resultados en países asiáticos y africanos para la clarificación de aguas y la remoción de bacterias. Las semillas de Moringa podrían evitar las millones de muertes que ocasiona anualmente el agua contaminada. Las semillas poseen una sustancia coagulante y floculante que captura las partículas en suspensión en el agua y provocan que se precipiten. Las semillas pueden emplearse artesanalmente moliéndolas y en gran escala para purificar el agua.

Se han realizado varios trabajos en el mundo y en los últimos años en el Perú, en la utilización de productos naturales, cuyas características y propiedades permiten su empleo como coagulantes y floculantes primarios y/o ayudantes en el tratamiento de agua (Arnal et al.2006; Babu et al. 2005). No obstante, a los buenos resultados obtenidos tanto a nivel internacional como nacional, resulta de gran interés continuar profundizando en algunos aspectos muy necesarios en la utilización de estos productos naturales.

Se usan las bayas o vainas maduras y secas en la cual se usan las almendras luego de haber retirado la cáscara, posteriormente es molida y se usas en dosis de 150 a 300 mg de semilla molida por litro.

6.4 Semilla de Durazno y Habas

Prunus persica Su fruto, llamado melocotón, piesco, ectarina, pelón o durazno, contiene una única y gran semilla encerrada en una cáscara dura las cuales son molidas para obtener un polvo que va actuar como coagulante.

Tabla 1. Dosis a emplear para la clarificación del agua por medio del las semillas de duraznos y habas.

Fuente: http://cidbimena.desastres.hn/docum/ops/publicaciones/who91s/who91s.3.htm#B.484.3.4.3

6.5 Samanea saman

Samanea saman, árbol de la lluvia, campano, cenízaro, cenícero, samán, tamarindo, es una especie botánica de árbol de hasta 20 m, con un dosel alto y ancho, de grandes y simétricas coronas. Tiene hojas compuestas, bipinnadas de 3-9 pares de hasta 1 dm de largo, de 2-4 dm de longitud, raquis piloso, y las flores, de color rosado, se reúnen en inflorescencias vistosas situadas al final de las ramitas. Los frutos son legumbres o vainas oscuras de 8 a 20 cm de largo. Se utiliza como forrajera por sus legumbres verdes y por sus semillas que son comestibles. También se cultiva como ornamental.

Gonzales y colaboradores estudiaron el exudado gomoso de Samanea saman como coagulante natural, estableciendo la dosis optima mediante prueba de jarras y determinando algunos parámetros físicos. Los resultados obtenidos demuestran la eficiencia de remociones significativas entre 99.7% y 99.8%.

Determinaciones cualitativas

a) tamaño del floc producido.

Se observa el tamaño del floc producido y se le evalúa cualitativamente según sus características. Puede expresarse su tamaño en mm de acuerdo con el comparador desarrollado por el Water Research Institute of Inglatere (Figura 2.) o según el índice de Willcomb que se incluye en la siguiente tabla 2.

Tabla 2. Índice de Floculación de willcomb

Fuente: Jorge Arboleda Valencia. Teoría y práctica de la purificación del agua.

Fuente: Teoría y práctica de la purificación del agua

Figura 1. Comparador para estimar el tamaño del floc producido en la coagulación.

b) tiempo inicial de formación de floc.

Determinar el tiempo, en segundos, en que tarda en aparecer el primer inicio de formación de floc, es uno de los sistemas para calificar la velocidad de la reacción. La iluminación de la base del agitador ayuda en la determinación, pero aun así resulta difícil, dado que el floc que el floc recién formado suele ser incoloro. Por otra parte, el floc que se forma más rápidamente no necesariamente es el mejor.

En esta evaluación debe tenerse en cuenta la diferencia de tiempo con que se agregaron los coagulantes a los Beakers, el coagulante debe agregarse con intervalos de 10 a 30 segundos en cada Beaker. Esto se muestra en la tabla 3.

Tabla 3. Tiempo de adición de coagulante en cada Beaker.

El tiempo de aparición del primer floc será igual al tiempo inicial de aplicación del coagulante al primer Beaker, hasta que se note el primer indicio de floc, menos el tiempo que tardo en hacerse la aplicación al Beaker considerado.

Balance de costo y beneficio para los coagulantes empleados en la clarificación del agua

Actualmente los coagulantes usados para la clarificación del agua son de tipo inorgánico lo cual acarrea desventajas tanto ambientales como económicas ya que los lodos generados están constituidos por sustancias inorgánicas que alteran los procesos naturales presentes en las fuentes de aguas a las cuales son vertidos, estos lodos se generan en las etapas de floculación-coagulación y sedimentación.

Desde el punto de vista económico los coagulantes inorgánicos son mas costosos; pues se trata de un compuesto químico que contienen electrolitos los cuales van a desestabilizar las cargas eléctrica de las partículas que traiga el agua a ser tratada; en su proceso de fabricación se consumen energía y materia, lo que se traduce en costos de producción, además se generan residuos que causan contaminación al medio ambiente. Por otra parte los coagulantes naturales son de bajo costo, si bien menos accesibles, permiten la implementación de métodos naturales para el tratamiento de los lodos generados. Pues son componentes naturales que van a actuar en el agua sin alterar sus propiedades químicas originales. Sin embargo estos coagulantes no son usados a escala mayores o en tratamientos para plantas potabilizadoras que sean para poblaciones grandes sino que son aplicados para acueductos regionales o como investigaciones de universidades. Es necesario conocer sus características potenciales para que sean aplicadas por las empresas hidrológicas. Estos coagulantes no poseen ninguna repercusión en la salud del ser humano lo que trae una mayor ventaja frente a los coagulantes inorgánicos.

Ventajas, desventajas, limitaciones y eficiencias de los coagulantes empleados en la clarificación del agua

Tabla 4. Ventajas y desventajas de coagulantes naturales usados en la clarificación del agua

Conclusiones

* La potabilización del agua esta compuesta por una serie de proceso que permite entregar el líquido en condiciones aptas para el consumo humano siguiendo los lineamientos referidos en la ley de aguas, para así garantizar su calidad.

* La clarificación es uno de los pasos a seguir para remover del agua las partículas suspendidas que causan la turbidez en la misma, siguiendo métodos de adición de compuestos químicos como coagulantes que permitan la aglomeración de partículas formando los denominados floc los cuales van a decantar en el fondo del agua debido a su mayor peso especifico.

* Cabe mencionar los diversos coagulantes naturales que proporcionan las propiedades de remover el color aparente del agua como lo es: la penca de tuna, la mandioca, la semilla de durazno, el Samanea saman y la Moringa oleífera. Estos garantizan el mismo resultado que los coagulantes artificiales además de ser beneficiosos desde el punto de vista ambiental ya que son biodegradables.

* El uso de coagulantes de origen naturales son nuevas alternativas que deberían ser aplicados en el procesos de clarificación, debido a que estos son mas económicos, y causan menos impacto sobres los cuerpos de aguas receptores de los lodos originados en los decantadores, siendo el principal inconveniente la ubicación y distribución de los mismos a lo largo de la geografía terrestre.

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Autor:

Galvis R. Manuel

Ortega Cynthia

Rondon Yesid

Facultad de Ciencias Básicas

Universidad del Tolima

Barrio Santa Helena parte alta, Ibagué Tolima Colombia