INFRARROJO Y ULTRASONIDO APLICADOS A LA GESTIN DE RESIDUOS Jorge Luis Montealegre Torres 1, Luz Bibiana Moscoso Marn2, Nubia Janeth Quiceno Urbina3, Gloria Mnica Tangarife Marn4 Estudiantes Universidad de Manizales, 1tedoka@hotmail.com,Popayn, Cauca; 2 luzmoscoso@une.net.co, Medelln, Antioquia; 3nubia_quiceno@yahoo.es, Barrancominas, Guaina; 4monica.tangarife@gmail.com, Barrancominas, Guaina

Resumen: Se plantea en este artculo dos mtodos de desinfeccin en casos de contaminacin ocasionados por los lodos procedentes de aguas residuales urbanas y los derrames de hidrocarburos que causan efectos txicos en la relacin agua-suelo-planta. Estos mtodos son la espectroscopa de infrarrojo que es una tcnica que permite conocer los principales grupos funcionales de la estructura molecular de un compuesto sometido a la accin infrarroja y el ultrasonido que es una tcnica de pretratamiento para la descomposicin celular de sustancias orgnicas presentes en lodos de aguas residuales urbanas, que prepara a dichas molculas para ser digeridas a travs de la descomposicin anaerbica. Palabras clave: residuos slidos, espectroscopa infrarroja, ultrasonido, pretratamiento, hidrocarburos, lodos. Abstract: Thinks about in this article two disinfection methods in cases of contamination caused by muds coming from urban residual waters and the spills of hydrocarbons that cause toxic effects in the relationship water - ground - plants. These methods are the spectroscopy that is a technique that allows to know the main functional groups of the molecular structure from a subjected compound to the action of the infrared action and the ultrasound that it is a pre-treatment technique for the cellular decomposition of substances organic present in muds of urban residual waters that prepares to this molecules to be digested through the decomposition anaerobic. Keywords: solid residuals, infrared spectroscopy, ultrasound, pre-treatment, hydrocarbons, muds.

1.

INTRODUCCIN

de los procesos que la naturaleza ha llevado a cabo por miles de aos. Tanto los lodos procedentes de aguas residuales urbanas como los derrames de hidrocarburos propician en el suelo unas condiciones poco ptimas para todo el sistema suelo-planta, ejerciendo un efecto toxico directo disolviendo el tejido de las mismas. Tambin se ha encontrado una disminucin en el

El presente artculo plantea un anlisis acerca de dos mtodos de desinfeccin de componentes naturales como son el agua, los suelos y la atmsfera, mediante la descomposicin de compuestos en partculas ms simples y por consiguiente en la facilidad de actuacin

crecimiento de las plantas debido a la sofocacin causada por la exclusin del aire del suelo o por el agotamiento del oxigeno debido al incremento de la actividad microbiana. A su vez puede haber interferencia con la relacin agua-suelo-planta, y toxicidad por el azufre y exceso de manganeso producido durante la descomposicin de los hidrocarburos, o toxicidad por metales pesados constitutivos de los lodos. Para contrarrestar estos efectos y disminuir el impacto de la carga contaminante de estos residuos peligrosos se han venido estudiando los mtodos de espectroscopa infrarroja y ultrasonido, los cuales como tal no son descontaminantes que ejerzan un gran poder sobre dichas sustancias, pero cada uno de ellos tiene unos efectos puntuales sobre la solubilizacin de la carga contamnate de los compuestos mencionados. La espectroscopa infrarroja es una tcnica analtica instrumental que permite conocer los principales grupos funcionales de la estructura molecular de un compuesto. Esta informacin se obtiene a partir del espectro de absorcin de dicho compuesto al haberlo sometido a la accin infrarroja en el espectrofotmetro. Dicha definicin sugiere que la tcnica ms que un proceso descontaminante es una herramienta que se utiliza para determinar la composicin de cualquier sustancia contaminante a travs de su espectro de radiacin, aunque no especfica si una molcula es txica o no y el riesgo que ella tiene asociado. Por su parte el ultrasonido, es una tcnica de pretratamiento para la descomposicin celular de sustancias orgnicas presentes en lodos de aguas residuales urbanas, que prepara a dichas molculas para ser digeridas a travs de la descomposicin anaerbica. Es importante resaltar que el ultrasonido por s solo no es un descontaminante, pues su capacidad se limita a la desintegracin de la membrana celular y a dejar la mayor cantidad de material intracelular disponible para la degradacin.

molculas estudiadas. En 1892, Julius obtuvo el espectro IR de 20 compuestos orgnicos, encontrando que todos los compuestos que contienen metilo (CH3) exhiben una banda de absorcin de 3,45m y lleg a la conclusin de que la absorcin de ondas calorficas se debe a movimientos intramoleculares; en otras palabras, la estructura interna de la molcula determina el tipo de absorcin. Tambin encontr que el efecto no es aditivo; es decir, que no se puede predecir el espectro de absorcin de un compuesto a partir del conocimiento de los espectros de los tomos constituyentes. Los espectrmetros IR son una de las herramientas ms importantes para observar espectros vibracionales (Gmez y Murillo, s.f.). La espectroscopia de infrarrojo detecta las vibraciones (de tensin y flexin) que ocurren cuando una molcula absorbe energa (calor) en la regin infrarroja del espectro electromagntico (Brissio, 2005). Diferentes grupos funcionales y tipos de enlaces tienen distintas frecuencias e intensidades de absorcin infrarroja. Las caractersticas ms relevantes de esta espectroscopa son las siguientes: 1. Si dos molculas estn constituidas por tomos distintos, o tienen distinta distribucin isotpica, o configuracin, o se encuentran en ambientes distintos, los espectros IR sern distintos. 2. Una sustancia definida puede identificarse por su espectro IR. Estos espectros pueden ser considerados como las huellas digitales de dicha sustancia. 3. Los espectros muestran bandas que son tpicas de grupos funcionales particulares y que tienen localizaciones e intensidades especficas dentro de los espectros IR. 4. A partir de los espectros se pueden inferir las estructuras moleculares. Para ello se requiere un modelo en el cual basar los clculos. 5. Las intensidades en las bandas del espectro de una mezcla, son generalmente proporcionales a las concentraciones de las componentes individuales. Por lo tanto, es posible determinar la concentracin de una sustancia y realizar anlisis de muestras con varias componentes. 6. Es posible, mediante el uso de dispositivos experimentales adecuados, obtener espectros IR sin alteracin de la muestra, lo que constituye a esta espectroscopa como una herramienta de anlisis no destructiva. 7. El tiempo necesario para obtener y almacenar un espectro IR es del orden de minutos.

2.

GESTIN DE RESIDUOS SLIDOS PELIGROSOS

2.1 Infrarrojos La espectroscopa infrarroja (IR) tiene casi 130 aos de existencia. El primer espectro de vibraciones moleculares fue observado en 1881 por Abney y Festing, quienes prepararon emulsiones fotogrficas sensibles al IR cercano y fotografiaron el espectro de absorcin de 48 lquidos orgnicos. Encontraron bandas caractersticas en estos espectros, las cuales asociaron con la presencia de hidrgeno en las

La mayora de los mtodos basados en IR miden tpicamente la absorbancia a una frecuencia particular (usualmente 2930cm-1) correspondiente a las tensiones de grupos alifticos CH2. Algunos mtodos, especialmente en Europa, usan mltiples frecuencias de lectura que incluyen 2960cm -1 para grupos CH3 y 2900cm-1 a 3000cm-1 para enlaces C-H en aromticos.

Sin embargo, los mtodos basados en IR no brindan informacin sobre el tipo de combustible presente, ni tampoco acerca de la presencia o ausencia de molculas txicas, y no especifica informacin acerca del riesgo potencial asociado con la contaminacin.

2.2 Ultrasonidos El odo humano es capaz de detectar los sonidos comprendidos en un margen de frecuencia entre 20 y 20.000Hz. Las ondas sonoras emitidas en un rango superior al ya citado y que no son percibidas por el odo humano como tales, se conocen con el nombre de ultrasonidos. Los ultrasonidos, como ondas mecnicas que son, se propagan por un medio mediante una sucesin de compresiones y expansiones peridicas. Manipulando la onda de la forma adecuada a altas intensidades, es posible fracturar el medio de propagacin. En el caso del agua, ste cambia rpidamente a estado de vapor mediante una transicin de fase, lo que origina la formacin de unas microburbujas (Rancao, 2008). De acuerdo con el mismo autor, en la fase siguiente se produce una sobrepresin a las burbujas que las hace implosionar, fenmeno que se conoce como la cavitacin ultrasnica. All se registran presiones en torno a los 500 bares, temperaturas de hasta 5000C y unas fuerzas de cizalla que destruyen las paredes celulares de los bioslidos presentes en el agua y lodo. A rangos de frecuencias bajas (20-100KHz) se generan burbujas de cavitacin que dan lugar a fuerzas de corte muy potentes. En estas condiciones tienen lugar la mxima desintegracin celular, desinfeccin, ruptura de polmeros y liberacin de enzimas al medio. La propagacin del sonido, se lleva a cabo en dos fases: rarefaccin (presin negativa) y compresin (presin positiva). La presin negativa es tan elevada que origina la fractura del lquido, formndose burbujas microscpicas que se llenan de vapor de agua o gas. Por ello, con transductores capaces de proporcionar y soportar altas energas, ha llegado a ser posible el tratamiento simultneo de grandes cantidades de agua o lodo. Se constituye as un gran punto de partida en el estudio del impacto de los ultrasonidos en la desintegracin de bioslidos de cara a su posterior proceso de digestin y en la desinfeccin del efluente final. Numerosos experimentos han demostrado que la potencial destruccin de las membranas celulares con la posterior liberacin del material intracelular de los bioslidos, proporciona el factor limitante en la digestin de lodos y desinfeccin de aguas. Puede conseguirse una liberacin absoluta del substrato orgnico celular mediante la aplicacin de

Fig. 1. Correlacin de Espectroscopa infrarroja. Fuente: Chacn, L. (2008).

La espectroscopia con IR es el mtodo ms comnmente utilizado para cuantificar los hidrocarburos del petrleo presentes en las muestras de suelo. El petrleo crudo derramado de una formacin en produccin, o los lodos de perforacin con petrleo, son la principal fuente de hidrocarburos del petrleo en los residuos de exploracin y produccin (E&P). Histricamente, los anlisis de los hidrocarburos del petrleo en residuos de E&P, han sido informados como grasas y aceites (G&A), hidrocarburos totales del petrleo (HTP), o carbono orgnico total (COT). La medida de Grasas y Aceites fue utilizada hasta los aos 90 como un parmetro para los residuos de E&P, mientras que a partir de all se utiliz la medida de HTP. Los HTP son determinados por cromatografa gaseosa o anlisis IR de un extracto obtenido con un solvente, y el COT, es analizado por oxidacin hmeda de una muestra (Brissio, 2005). Para los mtodos basados en IR, los hidrocarburos totales del petrleo (HTP) se definen como toda sustancia extrable por un solvente, el cual no es removido por la silica gel, y que pueden ser detectados por IR a una longitud de onda especifica. La ventaja principal de los mtodos para HTP basados en IR es que son simples, rpidos y de bajo costo (tphcwg, 1998).

ultrasonidos de baja frecuencia, con lo que la tasa de degradacin y biodegrabilidad de la masa de bioslidos orgnicos se ver aumentada en gran medida. As mismo, estudios piloto han mostrado una significativa aceleracin en dicha degradacin de bioslidos con una produccin menor de lodo digerido y un aumento en el biogs producido.

Fuente: Rancao (2008) Como se puede observar en la tabla anterior, al someter al agua tratada a un pretratamiento con ultrasonidos, el nmero de partculas en el rango 1150m decrece un 39,75%. Esta drstica disminucin del nmero de partculas y mucho ms acusada a altos tamaos de partcula, quiere decir que los ultrasonidos son capaces de desintegrar muy eficazmente las partculas y reducir el tamao de las mismas por debajo de 1m. As mismo, tambin es de destacar que el tratamiento con ultrasonidos elimina todas las partculas de tamao superior a 80m. Fig. 2. Desintegradora de lodos 48kW [24 x UIP2000hd (2 kW)] Fuente: Hielscher (s.f.)

3. ANLISIS DE LOS SISTEMAS DE GESTIN DE RESIDUOS

Para presentar el tratamiento con ultrasonidos se mostrar a travs de la determinacin del efecto del tratamiento sobre el tamao de partculas. Dado que una disminucin del tamao de partcula provoca un aumento de la superficie de contacto entre los microorganismos y el agente desinfectante, ya sea radiacin ultravioleta o hipoclorito. Se parte entonces del anlisis de un ensayo de distribucin de tamao de partculas a la entrada y salida del equipo de ultrasonidos, realizndose un barrido de tamao de partculas.

Las tcnicas usadas para la desinfeccin de componentes naturales como suelos y aguas que han sido objeto de la acumulacin de desechos peligrosos, tales como infecciones bacteriolgicas o riego de hidrocarburos tienen la posibilidad de ser tratados a travs de mtodos que si bien no son nuevos si se presentan como alternativas novedosas para propiciar la desintegracin de dichos contaminantes que pueden causar serios deterioros ambientales y por consiguiente a la salud de los seres vivos. La espectroscopa del infrarrojo ha sido usada desde hace ms de un siglo para la identificacin de sustancias individuales constitutivas de compuestos especficos, representando un mtodo simple y seguro para determinar la intensidad de la frecuencia que emite dicho compuesto. La espectroscopa del infrarrojo es sumamente til para determinaciones cualitativas de compuestos orgnicos y para deducir estructuras moleculares a partir de sus grupos funcionales tanto de compuestos orgnicos como inorgnicos. En el anlisis cualitativo la espectroscopa de infrarrojo puede usarse para la identificacin de sustancias puras o para la absorcin, localizacin e identificacin de impurezas. Para la localizacin de estas ltimas se hace una comparacin en el espectro

Tabla. Distribucin del tamao de partculas a la entrada y salida del equipo de ultrasonidos para un caudal de 30 l/min.

de la sustancia que se estudia y una muestra de la sustancia pura. As es posible determinar que las impurezas causan bandas de absorcin adicionales que aparecen en el espectro, y son relativamente fciles de identificar, pues como se ha mencionado, cada sustancia emite una vibracin diferente dependiendo del calor emitido en el espectro electromagntico. Con el IR se estn encontrando usos cada vez mayores en el anlisis cuantitativo, donde el principal campo de aplicacin se halla en la cuantificacin de contaminantes atmosfricos que provienen de procesos industriales. Por su parte, los lodos o fangos originados en los procesos tpicos de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), es decir, lodos primarios, secundarios y terciarios, estn cargados de materia orgnica no estabilizada y requieren ser digeridos e higienizados para ser usados como abono para la agricultura. Para ello se ha utilizado tradicionalmente la digestin anaerobia, sin embargo, esta resulta poco eficiente en los lodos secundarios a la biodegradacin biolgica debido bsicamente a su composicin orgnica. Es por esto, que se ha recomendado realizar pretratamientos a dichos lodos antes de la digestin anaerobia, con el objeto de desaglomerar los flculos secundarios y aumentar la solubilidad y/o la disponibilidad del material celular a los microorganismos anaerobios (Rincn, et al., 2006). Entre las tcnicas de pretratamiento se tiene el uso del ultrasonido. Su aplicacin, dependiendo de la energa especfica aplicada, permite que las paredes de las clulas de los microorganismos sean deshechas liberando el material intracelular y en consecuencia incrementando la cantidad de material orgnico disuelto y disponible para ser usado por las bacterias anaerobias presentes en el tratamiento anaerobio posterior.

catalogadas como otros tipos de sustancias al no conocerse su espectro electromagntico particular y por consiguiente sus impactos eran minimizados y tratados de manera errnea, potenciando los efectos dainos de dichos compuestos. Para la tcnica del ultrasonido, es necesario la aplicacin de la misma como pretratamiento para la desintegracin de las clulas que hacen parte de las partculas orgnicas que estn presentes en los lodos y aguas residuales, pues solo de esta manera se logra deshacer la membrana y liberar el contenido intracelular para proceder al tratamiento anaerbico que digiere los lodos y por consiguiente desinfecta las aguas. A pesar de que el tratamiento con ultrasonidos tiene una ligera capacidad desinfectante, el grado de reduccin de contaminacin bacteriolgica es insuficiente para que este tratamiento pueda ser considerado como una alternativa para la desinfeccin de aguas de residuales depuradas si no se combina con otro agente desinfectante. REFERENCIAS Brissio, P. A. (2005). Evaluacin preliminar del estado de contaminacin en suelos de la provincia del Neuqun donde se efectan actividades de explotacin hidrocarburfera. Tesis de Licenciatura en Saneamiento y proteccin ambiental. Escuela superior de salud y ambiente. Universidad Nacional de Comahue. [Consultado el 1 de junio, 2012] Disponible en Internet: http://www.tesis.bioetica.org/pab2.htm Chacn, L. (2008). Espectrofotometra de Absorcin en el Infrarrojo. ULA. Gmez, R. y Murillo, R. (s.f.). Espectroscopa infrarroja. [Consultado el 5 de junio, 2012] Disponible en Internet: http://sistemas.fciencias.unam.mx/~fam/Infrarroja .pdf Hielscher (s.f.). Tratamiento de residuos y lodos por ultrasonidos. [Consultado el 5 de junio, 2012] Disponible en Internet: http://www.hielscher.com/es/sludge01.htm Rancao, A. (2008). Efecto del pretratamiento con ultrasonidos sobre la desinfeccin en la Edar de Lorqui. IV Jornadas tcnicas de saneamiento y

4. CONCLUSIONES La espectroscopa del IR es usada bsicamente para determinar las vibraciones emitidas por el calor absorbido en el espectro electromagntico de un compuesto, que se convierte en la huella digital de dicha sustancia, pues sus componentes individuales emiten una radiacin nica y particular que la diferencia de las dems y que no es acumulativa con las de la sustancia total. La espectroscopa del IR se ha convertido en una tcnica bastante til en zonas contaminadas por derrames con hidrocarburos, que anteriormente eran

depuracin. Tratamientos avanzados para la regeneracin de aguas residuales. ESAMUR. [Consultado el 1 de junio, 2012] Disponible en Internet: http://www.esamur.com:81/ponencias/ponencia82 .pdf Rincn, N., Behling, E., Daz, A. y Mata, J. (2006). Utilizacin de ultrasonido como tcnica de pretratamiento en lodos biolgicos. Escuela de Ingeniera Civil, Facultad de Ingeniera, Universidad del Zulia. [Consultado el 4 de junio, 2012] Disponible en Internet: http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/uruguay30/V E04182_Rincon.pdf TPH Criteria Working Group (tphcwg). (1998). Analysis of Petroleum Hydrocarbons in Environmental Media. Total Petroleum Hydrocarbon Criteria Working Group Series. Volume 1, Amherst Scientific Publisher, Amherst, Massachussets, USA. 98 pp.