ROSA MARÍA RAMÍREZ ZAMORA RAFAEL SCHOUWENAARS

BERTHA MARÍA MERCADO BORRAYO

Evitar la sobreexplotación Disminuir los riesgos a la salud

Adsorción es un método muy eficiente y ampliamente utilizado en plantas de tratamiento de agua. Desventaja: Altos costos

Reutilización de subproductos (escorias de la industria de hierro y del acero) permitiría

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JUSTIFICACIÓN

- Reducir costos de producción adsorbentes/ tratamiento de agua

- No generar subproductos de la producción de adsorbentes

- Disminuir el volumen para disposición (riesgo ambiental)

Entre los contaminantes susceptibles de ser removidos se encuentran metales pesados, boratos, colorantes de la industria textil y fosfatos.

Arsénico Alto riesgo a la salud pública

Mapa 1. Países con presencia de contaminación de arsénico

3 Krishna et al., 2008; Xue et al., 2009; Yang et al., 2009; Biterna et al., 2007; Bundschuh et al., 2009; Henke, 2009

JUSTIFICACIÓN

En la República Mexicana se estima que aproximadamente seis millones de personas que viven en la zona Centro-Norte del país está en contacto directo y consume agua contaminada con arsénico.

Mapa 2. Estados de la República con presencia de contaminación de arsénico

Origen natural

Origen antropogénico

Agua potable Reúso agrícola

Internacional 0.01 mg/L 0.1 a 2 mg/L

México 0.025 mg/L No reportado

4 WHO 2003; Sancha y Esparza, 2000; Choong et al., 2007; NOM-127-SSA1-1994 (Modificada); EPA, 2006; Moss y Nagpal, 2003

JUSTIFICACIÓN

Escorias metalúrgicas de hierro y acero

Producción de hierro y acero 5 951 662 toneladas en 2011

Construcción

Caminos

Remediación de suelo

No son clasificadas residuo peligroso

ADSORBENTE

5 INEGI, 2010; NMX-B-085-CANACERO-2005

JUSTIFICACIÓN

Evaluar la factibilidad de la remoción a niveles aceptables en agua de fosfatos, boratos y colorantes orgánicos empleando como adsorbentes escorias metalúrgicas (subproductos) de la industria del hierro

6

OBJETIVO GENERAL

Escoria

•Obtención de escorias (5 tipos, 80% producción nacional)

•Caracterización fisicoquímica y mineralógica

Aguas a tratar

•Soluciones preparadas en el laboratorio con concentraciones de As •Agua subterránea de la cuenca de Tucumán, Argentina (óptimos) •Agua residual geotérmica de “Los Humeros”, México (óptimos)

Proceso de

adsorción

•Diseño experimental (Concentraciones iniciales de 6 mg As/L)

• Factores de influencia

•Mecanismo del proceso de adsorción

•Condiciones óptimas de operación

•Comparación usando nanopartículas de hierro cerovalente y una resina

Costos

•Principales costos asociados al proceso de adsorción (“Los Humeros”)

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DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

8

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ESCORIAS

Porcentaje de abundancia de fases cristalinas y mineralógicas y área de escorias

Escoria Silicatos Óxidos e Hidróxidos

1 Hidróxido de silicato de calcio y aluminio Ca3AlFe(SiO4)(OH)8 (12.55%) Silicato de calcio hidratado Ca2SiO4*H2O (6.58%)

Portlandita Ca(OH)2 (29.87%) Óxido de calcio y hierro CaFe2O4 (12.89%) Brucita Mg(OH)2 (38.11%)

2 Cuarzo SiO2 (54.52%) Anortita CaAl2Si2O8 (11.21%)

Espinela MgAl2O4 (34.27%)

3 Merwinita Ca3Mg(SiO4)2 (9.24%) Gehlenita Ca2Al2SiO7 (4.74%)

Óxido de hierro FeO (54.85%) Brucita Mg(OH)2 (31.17%)

4 Cuarzo SiO2 (10.73%) Larnita Ca2SiO4 (16.69%)

Browmillerita Ca2(Al,Fe)2O5 (26.29%) Óxido de aluminio y calcio Ca3Al2O6 (46.29%)

5 Fayalita FeSiO4 (35.76%) Magnesioferrita MgFe2O4 (64.24%)

Escoria Area superficial

específica (m2/g)

1 7.34 0.11

2 1.660.12

3 3.340.06

4 0.770.11

5 0.660.05

9

DISEÑO EXPERIMENTAL No. 1 Diseño factorial 3k por duplicado para remoción de arsénico ([As]o = 6 mg/L) con escorias

Factores Niveles

-1 0 1

X1= pH 7 9 11

X2= Temperatura (°C) 25 35 45

X3= Dosis de escoria (g/L) 3 5 7

7 a 11

10

DISEÑO EXPERIMENTAL No. 2

Remoción de arsénico con tres adsorbentes comerciales

Caracterización de los adsorbentes comerciales Nanopartículas A Nanopartículas B Resina de Intercambio

Compañía Nanoiron Nanotek Lewatit

País de origen República Checa República Argentina República Federal Alemana

Nombre comercial Nanofer 25 NanoFe Lewatit FO 36

Compuesto que actúa como adsorbente

68% FeO

Magnetita Fe3O4 Óxido ferroso FeO

60-90% Magnetita Fe3O4 Maghemita g-Fe2O3 Goethita a-FeO(OH)

FeO(OH)

Tamaño de partícula (nm) 50 5-15 No Reportado

Área superficial (m2/g) 25 55-63 No Reportado

N=2k+2n=23+2=8+2=10 (duplicado)=20

[Dosis de adsorbente (g/L)], pH, [Semimetal (mg/L)]

Dra. Marta Litter (Buenos Aires, Argentina)

Valores codificados -1 0 1

pH 7 9 11

Concentración de arsénico 0.3 mg/L 3.15 mg/L 6 mg/L

Dosis del adsorbente 0.046 g/L 3.523 g/L 7 g/L

Valores reales para la remoción de As usando las escorias y la resina de intercambio

Potencial Z

Valores codificados -1 0 1

pH 7 7.5 8

Concentración de arsénico 0.3 mg/L 3.15 mg/L 6 mg/L

Dosis de nanopartículas 0.05 g/L 0.536 g/L 1.02 g/L

Potencial Z

Valores reales para la remoción de As usando nanopartículas A y B

DISEÑO EXPERIMENTAL No. 2

7 a 8

11

RESULTADOS EXPERIMENTALES No. 1

0.1 a 2.0 mgAs/L

Escoria 3 77%

Val. Codificados Valores Reales % Remoción Conc. Residual (mg/L)

A B C

Temperatura (°C)

Dosis de escoria (g/L) pH Escoria 1 Escoria 3 Escoria 1 Escoria 3

1 0 -1 45 5 7 34.29 49.79 3.94 3.01

0 -1 1 35 3 11 52.70 97.17 2.84 0.17

-1 -1 -1 25 3 7 33.12 67.68 4.01 1.94

-1 0 1 25 5 11 59.70 95.59 2.42 0.26

1 1 0 45 7 9 49.73 72.98 3.02 1.62

-1 -1 0 25 3 9 46.06 89.42 3.24 0.63

-1 1 1 25 7 11 61.91 99.67 2.29 0.02

0 -1 -1 35 3 7 34.11 49.56 3.95 3.03

-1 -1 1 25 3 11 56.32 94.31 2.62 0.34

-1 0 -1 25 5 7 36.27 68.55 3.82 1.89

0 1 1 35 7 11 60.98 98.68 2.34 0.08

1 -1 1 45 3 11 51.13 90.87 2.93 0.55

1 1 1 45 7 11 63.89 96.35 2.17 0.22

0 1 -1 35 7 7 38.02 58.36 3.72 2.50

-1 1 0 25 7 9 49.62 91.86 3.02 0.49

1 -1 -1 45 3 7 28.34 48.57 4.30 3.09

0 1 0 35 7 9 48.68 77.88 3.08 1.33

0 0 1 35 5 11 61.27 96.24 2.32 0.23

1 -1 0 45 3 9 43.96 69.08 3.36 1.86

1 1 -1 45 7 7 36.79 57.66 3.79 2.54

1 0 0 45 5 9 44.55 70.89 3.33 1.75

1 0 1 45 5 11 58.01 93.09 2.52 0.41

0 -1 0 35 3 9 42.80 73.28 3.43 1.60

-1 1 -1 25 7 7 38.08 72.17 3.72 1.67

-1 0 0 25 5 9 47.46 82.54 3.15 1.05

0 0 0 35 5 9 45.24 74.79 3.29 1.51

0 0 -1 35 5 7 35.51 52.12 3.87 2.87

12

Concentración residual de arsénico usando cuatro diferentes tipos de adsorbentes

[As]o = 0.3 mgAs/L

7g[Escoria, Resina]/L, pH 11, [6 mgAs/L]o

1.02g[Nanopartículas A y B]/L, pH 9, [6 mgAs/L]o y = capacidad de adsorción

Riego

RESULTADOS EXPERIMENTALES No. 2

13

[As]o = 6 mgAs/L

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Co

nce

ntr

ació

n r

esi

du

al d

e A

s [m

g/L]

Número de experimento

Escoria 3

Resina

Nanopartículas A

Nanopartículas B

Escoria 3 Resina Nanop. A Nanop. B

y (mg/g) 0.852 0.853 5.81 5.27

Concentración residual de arsénico usando cuatro diferentes tipos de adsorbentes

0.3 mg As/L

7g[Escoria, Resina]/L, pH 10, [0.3 mgAs/L]o

1.02g[Nanopartículas A y B]/L, pH 8, [0.3 mgAs/L]o

0.000

0.025

0.050

0.075

0.100

0.125

0.150

0.175

0.200

0.225

0.250

1 2 3 4

Co

nce

ntr

ació

n r

esi

du

al d

e A

s [m

g/L]

Número de experimento

Escoria 3

Resina

Nanopartículas A

Nanopartículas B

y = capacidad de adsorción

NOM

OMS

RESULTADOS EXPERIMENTALES No. 2

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Escoria 3 Resina Nanop. A Nanop. B

y (mg/g) 0.041 0.042 0.29 0.29

RESULTADOS Mecanismo de remoción de arsénico por escorias y nanopartículas de hierro

Óxidos

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a) Determinación del balance de agua potable y para riego por región

Mapa 3. Tamaño del Mercado CONAGUA, 2010 16

TAMAÑO DEL MERCADO

b) Estimación de los niveles de contaminación del agua con arsénico

c) Localización de empresas siderometalúrgicas

As

As

As

As

As

As

As As

As

As

As As

As

Los resultados obtenidos constituyen la base para realizar una estimación de los costos totales de tratamiento, inversión, operación y mantenimiento de la planta paquete de la innovación tecnológica.

INFORMACIÓN FINACIERA

(PESOS MEXICANOS) PTcE PTcNP

Materia prima 265,882.26 1,145,047.80 Sueldos y salarios 816,132.00 816,12.00

Gastos de operación 693,778.16 693,778.16 TOTAL DE OPERACIÓN 1,775,792.42 1,838,825.96

Costo unitario 6.16 MX/m3 9.22 MX/m3

Ingreso unitario 7.16 MX/m3 10.22 MX/m3

Maquinaria y equipo 734,280.00

Capital de trabajo 450,403

TOTAL EN ACTIVOS FIJOS Y CAPITAL DE TRABAJO 1,184,683.00

COSTO DE LA INVESTIGACIÓN 549,570 Fuentes de financiamiento

Capital contable 520,957 (20%)

Pasivo 1,663,726 Tasa Interna de retorno 11%

Tasa de descuento 10% Valor presente neto 26,448.30

TIEMPO DE RECUPERACIÓN 5 años PTcE: Planta de tratamiento empleando escorias metalúrgicas

PTcNP: Planta de tratamiento empleando nanopartículas de hierro cerovalente

ESTUDIO ECONÓMICO

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SALUD PÚBLICA

Riesgos a la salud: -1:100 personas que beben agua con [0.05 mg/L], posiblemente contraerán cáncer - La proporción asciende a un 10% [0.5 mg/L]

País Habitantes

Argentina 1.2-2 millones

Chile 500 000

Perú 250 000

Bolivia 200 000

Asia 50 millones

México 6 millones

18 Henke, 2009; Smith et al., 2000

Población expuesta a [0.05 mgAs/L]

BENEFICIOS ESPERADOS

As

Daño al feto

Sistema inmunológico

Diabetes

Cáncer (piel, hígado, pulmón, vejiga)

Arsenicismo

ÁMBITO AMBIENTAL

Escorias metalúrgicas de hierro y acero

BENEFICIOS ESPERADOS

Disposición

Menor volumen, menos sitios

afectados

Menor impacto ambiental

Aplicación

como adsorbente

Tratamiento de diversos tipos de

agua

Fuentes alternativas de

agua

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ASPECTOS ECONÓMICOS

BENEFICIOS ESPERADOS

Reutilización de escorias de hierro y acero

• Adsorbente económico y eficiente

• Menores costos

De producción y de distribución

Sector social

• Siderometalúrgicas

• Operadora de planta paquete

Sector Empresarial

• Disminución de número de enfermos

Sector gubernamental

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PRODUCTOS OBTENIDOS

Solicitud de registro de patente ante el IMPI

Premio León Bialik a la innovación tecnológica

Tesis de doctorado

Artículo enviado a evaluación a revista internacional indexada

Tres ponencias y artículos in extenso en congresos internacionales

Proyecto CONACYT-OSEO para transferencia tecnológica o licenciamiento de la patente

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Rosa María Ramírez Zamora

Universidad Nacional Autónoma de México

Instituto de Ingeniería

Coordinación de Ingeniería Ambiental

RRamirezZ@iingen.unam.mx