Tratamientos para la Remoción de Metales Pesados Comúnmente Presentes en Aguas Residuales Industriales.Una Revisión
Treatments for Removal of Heavy Metals Commonly Found in Industrial Wastewater. A Review
Resumen
Este artículo presenta una revisión de algunas características toxicológicas de metales pesados, sus fuentes industriales, los niveles permisivos de vertimiento y 20 diferentes técnicas subdivididas en convencionales y no convencionales empleadas para la remoción de metales pesados en medios hídricos, así como las condiciones fisicoquímicas en las que estos tratamientos han presentado mejores eficiencias de remoción.
Palabras clave: Metales Pesados; Aguas Residuales; Condiciones experimentales; Técnicas convencionales y no convencionales.
Abstract
This article presents an overview of some toxicological characteristics of heavy metals, their industrial sources, permissive levels of discharge, and 20 different techniques subdivided into conventional and unconventional treatments used for the removal of heavy metals in water sources. The paper also analyzes the physicochemical conditions in which these treatments have presented higher removal efficiencies.
Key words: heavy metals; wastewater; experimental conditions; conventional and unconventional techniques.
1. Introducción
Los elementos metálicos, debido a que están presentes en los ecosistemas acuáticos a muy baja concentración, son denominados elementos traza. Algunos son nutrientes esenciales para las plantas y los animales, micronutrientes (como Mn (Manganeso), Mo (Molibdeno), Cu (Cobre), Co (Cobalto), Zn (Zinc), Se (Escandio) y V (Vanadio)) mientras que otros elementos (como el Ni (Níquel), Sn (Estaño) y Cr (Cromo)) son esenciales únicamente para los animales, pero cuando estos elementos están presentes en sistemas ambientales a concentraciones superiores a ciertos niveles, debido a desequilibrios naturales o por introducción antropogénica, pueden ser tóxicos para los seres vivos (Domenech & Peral, 2008). Otro término en la clasificación de los metales, es el de los metales pesados, refiriéndose a aquellos metales que causan un impacto ambiental debido a su toxicidad y cuya propiedad principal es tener una densidad aproximadamente superior a 6 g/cm3 exceptuando al Ti (Titanio) (4,5 g/cc) pero también considerado como metal pesado y al As, que aunque es un no metal, presenta una alta densidad de 5,7 g/cm3, por lo que se considera un metal pesado, además de otras propiedades de carácter ambiental (Baird, 2001; Domenech & Peral, 2008; O’Connell, et al., 2008).
La implementation de metales en los procesos industriales han permitido que grandes concentraciones de metales pesados potencialmente tóxicos sean emitidos a la atmósfera y vertidos en los ambientes acuáticos y terrestres (Fu & wang, 2011. O’Connell, 2008); en el medio hidrosferico, cantidades cercanas a 109 Kg/año de metales traza se han vertido, siendo las aguas residuales de origen domésticas, las plantas térmicas, las fundiciones y las aceñas, las principales fuentes de emisión (Tabla 1); el orden de flujos de emisión o cargas contaminantes de metales a la hidrosfera corresponde a Mn > Zn > Cr > Pb (Plomo) > Ni ≈ Cu > Se (Selenio) ≈ As (Arsénico) > Sb (Antimonio) >V ≈ Mo ? Cd (Cadmio) > Hg (Mercurio) (Domenech & Peral, 2008).
La toxicidad de los metales pesados depende de su movilidad en el medio, que a su vez, depende de su especiación química, persistencia y tendencia de acumulación o bioacumulacion (Domenech & Peral, 2008. Kumar, et al;2012). En la tabla 2 se describen los síntomas de la intoxicación típicos, la dosis letal en la dieta humana y los niveles de contaminación máximos (NCM) establecidos por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) (Spiro, et al; 2006; Nguyen, et al; 2013.) y por la legislación Colombiana a través del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Soste-nible (MADS,2015) para algunos metales pesados.
2. Técnicas de tratamiento para remoción de metales pesados en aguas residuales
La clasificación de las técnicas de tratamiento de metales pesados en las aguas residuales depende de diferentes factores, en este documento se han clasificado como convencionales, refiriéndose a las técnicas que habitualmente se emplean para la remoción de estos contaminantes y las no convencionales, aquellas que corresponden a procesos innovadores para la eliminación de metales en aguas residuales generalmente de origen industrial.
2.1 Técnicas convencionales
2.1.1 Filtración por Membrana
Esta tecnología presenta altas eficiencias, requiere poco espacio, no es selectiva y es de fácil operación, pero genera una gran cantidad de lodos que contienen metales. Se emplea en procesos para el tratamiento de agua potable, aguas residuales industriales y en menor medida aguas residuales domésticas. Las membranas pueden clasificarse de acuerdo a diferentes características como su peso molecular de corte, material de la membrana (sintéticos o polímeros naturales modificados, acoplados y estructurados), permeabilidad y solubilidad del soluto y el solvente en la película, superficie y espesor activo de la película, así como la carga de su
superficie (Taylor &Wiesner, 2002). La separación por membrana se emplea comúnmente para tratar y recuperar sales metálicas de residuos generados en procesos galvanoplásticos, en el reciclaje de aceites, en la producción alimentos y bebidas y en la explotación y producción de hidrocarburos (Nemerow & Dasgupta, 1998; Ji, 2015).
2.1.1.1 Electrodiálisis. Es una técnica de descontaminación que puede remover componentes iónicos de soluciones acuosas empleando membranas permeables selectivas en un campo eléctrico constante (Guastalli, et al, 2004). Esta técnica tiene la capacidad de remover iones contaminantes cargados de hasta 0,0001 pm, mediante hojas o laminas porosas de resinas de intercambio iónico con una baja permeabilidad relativa para el agua (Taylor & Wiesner, 2002). Tabla 3.
2.1.1.2 Osmosis Inversa. Es un proceso de permea-ción a través de membrana para la separación por difusión controlada o cribado. Tiene la capacidad de seleccionar elementos de tan solo 0.0001 mm, lo que le otorga un amplio abanico de capacidades de tratamiento (Nemerow & Dasgupta, 1998). En la tabla 4 se registran las condiciones observadas en estudios en que se emplea la osmosis inversa.
2.1.1.3 Nanofiltración. Es una técnica de tratamientode agua relativamente reciente que utiliza membranas con poros muy pequeños (<1 nm) y requiere presiones de funcionamiento en el rango de 10-50 bar. Por lo tanto, las membranas empleadas para la nanofiltración son capaces de retener especies neutras con peso molecular <200-300 g/mol, y también para rechazar iones inorgánicos por un mecanismo de exclusión por tamaño en combinación con las interacciones electrostáticas entre los iones y la membrana cargada, presenta mayor rechazo de iones di valentes y menor rechazo de iones monovalentes, la presión de funcionamiento más baja, mayor flujo y menor consumo de energía en comparación con la osmosis inversa (González, etal; 2006). Estas características recomiendan la nanofiltración como una tecnología prometedora e innovadora que puede ser ampliamente aplicada en el agua potable y el tratamiento de efluentes industriales. En la tabla 5 se presentan tres estudios de remoción de metales pesados mediante esta técnica.
2.1.1.4 Ultrafiltración. La ultrafiltración es un proceso de fraccionamiento selectivo utilizando presiones de hasta 145 psi (10 bares). La ultrafiltración se utiliza ampliamente en el fraccionamiento de leche y suero, yen fraccionamiento proteico. Concentra sólidos en suspensión y solutos de peso molecular mayor a 1000 urnas. El permeado contiene solutos orgánicos de bajo peso molecular y sales (Alka, et 2012), (Tabla 6).
2.1.2 Intercambio Iónico, es el proceso a través del cual los iones en solución se transfieren a una matriz sólida que, a su vez liberan iones de un tipo diferente, pero de la misma carga. El intercambio iónico es un proceso de separación física en la que los iones intercambiados no se modifiquen químicamente. Las principales ventajas de intercambio iónico son la recuperación del valor del metal, la selectividad, menos volumen de lodos producidos y la reunión de las especificaciones de descarga estrictas (Zewail & Yousef, 2015). En la tabla 7 se exponen las condiciones de tres estudios mediante este método.
2.1.3 Adsorción (Convencional).
La técnica presenta remoción de una amplia variedad de contaminantes, alta capacidad, cinética rápida y posiblemente selectiva dependiendo de adsorbente de lo cual también depende su rendimiento, básicamente por la estructura física del mismo (Liu & Lee, 2014). Los carbones activados, arcillas, biopolímeros, Zeolitas, perlas de sílice y plantas o desechos lignocelulósicos son algunos de los adsorbentes, generalmente con procesos variados de modificación química (Wan Ngah, et al, 2011), comúnmente empleados para remover colorantes iónicos, metales pesados, materiales radioactivos entre otros contaminantes orgánicos e inorgánicos generados por diferentes tipos de industrias (Osei Boamah, etal, 2015).
2.13.1 Carbón Activado, ha demostrado ser un adsorbente eficiente para la eliminación de una amplia variedad de contaminantes orgánicos e inorgánicos presentes en el medio ambiente acuático. Debido a sus áreas superficiales porosas que van desde 500 hasta 1.500 m2/ g, así como la presencia de un amplio espectro de superficie funcional que la hace accesible a diferentes reactivos (Kamib, etal; 2014). En la tabla 8 se exponen las condiciones de tres estudios mediante este método.
2.1.3.2 Nanotubos de carbono. Han despertado una amplia atención como un nuevo tipo de adsorbentes debido a su capacidad excepcional para la eliminación de diversos contaminantes inorgánicos y orgánicos, y radionúcleidos a partir de grandes volúmenes de aguas residuales. Esta revisión resume (Tabla 9) algunas condiciones en que se han empleado los nanotubos de carbono y sus propiedades relacionadas con la adsorción de diversos metales pesados en soluciones acuosas (Ren,etal; 2011).
2.1.4 Precipitación química
Es la técnica más utilizada en los procesos industriales ya que es relativamente sencilla de operar, económica y selectiva, aunque su mantenimiento si es costoso debido a la alta generación de lodos. En la Tabla 10 se presentan rendimientos de tratamientos como precipitación de hidróxido, técnica de bajo costo, fácil control del pH y eliminación por floculación y sedimentación (Huisman, etal; 2006). Igualmente se emplea la precipitación por sulfuros aunque con solubilidades bajas y precipitados no anfóteros, por lo que puede lograr altos rendimientos; también se han empleado sustancias quelantes aunque presentan desventajas considerables como la carencia de uniones necesarias y demasiados riesgos ambientales (Chen,et al., 2009).
2.1.5 Electrocoagulación. Es un proceso que aplica los principios de la coagulación-floculación en un reactor electrolítico. Este es un recipiente dotado de una fuente de corriente y varios electrodos encargados de aportar los iones desestabilizadores de partículas coloidales que reemplazan las funciones de los compuestos químicos que se utilizan en el tratamiento convencional, induciendo la comente eléctrica en el agua a través de placas metálicas paralelas de hierro o aluminio (Morante, 2002) como en estos tres casos expuestos en la tabla 11.
2.1.6 Coagulación-Floculación. Es el método mediante el cual se logra desestabilizar el coloide y aglomerar posteriormente. En la primera etapa la coagulación elimina la doble capa eléctrica que caracteriza a los coloides y con la floculación se aglomeran los coloides mediante la atracción de partículas con el aglutinamiento de los floculantes. Los factores más importantes que se deben tener en cuenta para esta técnica son la dosis química apropiada, el efecto energético de la mezcla y el tiempo de la mezcla; los coagulantes químicos que se utilizan comúnmente en el tratamiento de aguas residuales incluyen alumbre (A12(S04)3- 18H20), cloruro férrico (FeCl3-6H20), sulfato férrico (Fe2(S04)3), sulfato ferroso (FeS047H20) y cal (Ca(OH)2) (Ismail, al; 2012). Se presentan dos casos en la tabla 12.
2.1.7 Electrofloculación. Es un proceso químico con adición electrolítica de iones metálicos. Su eficiencia en la remoción de los contaminantes se debe a que son arrastrados por las burbujas de gas (H2 y 02) que se producen en el sistema por lo que salen a flote en la superficie (Tabla 13).
2.1.8 Flotación. El proceso de flotación ion se basa en impartir las especies iónicas de metal en las aguas residuales hidrófobas mediante el uso de agentes activos de superficie (tensoactivos) y la posterior eliminación de estas especies hidrófobas por burbujas de aire (Polat & Erdogan, 2007). En la Tabla 14 se observan dos casos experimentales de la técnica de flotación.
2.1.9 Fotocatálisis en la degradación de metales pesados. Se basa en la transferencia de carga a través de la interfaz entre el semiconductor y la solución acuosa contaminada. Donde la conductividad aumenta con la temperatura, y se genera un par de electrón-hueco, ocurriendo la adsorción de los fotones y la distribución de diferentes estados electrónicos en la superficie, degradando moléculas orgánicas colorantes y metales pesados. (Paez & Taborda, 2006). En la tabla 15 se exponen estudios en que se emplea la fotocatálisis para remover metales pesados.
2.2 Técnicas No Convencionales.
2.2.1 Adsorbentes de Bajo Costo y Nuevos Adsorbentes
La adsorción es un proceso de transferencia de masa por el cual una sustancia se transfiere desde la fase líquida a la superficie de un sólido. El proceso de sorción describe en realidad un grupo de procesos, que incluyen la adsorción y las reacciones de precipitación. Recientemente, la adsorción se ha convertido en uno de las técnicas alternativas de tratamiento para las aguas residuales cargadas con metales pesados (Wan Ngah, et al., 2011). Se emplea un amplio espectro de materiales biológicos, especialmente las bacterias, algas, levaduras y hongos han recibido una atención creciente para la eliminación y recuperación de metales pesados, debido a su buen rendimiento, bajo coste y grandes cantidades disponibles (Wan & Chen, 2009; Anastopoulos & Kyzas, 2015).
2.2.2 Adsorción de metales pesados por materiales naturales agrícolas e industriales. Los procesos de adsorción están siendo ampliamente utilizados por varios investigadores para la eliminación de metales pesados. Los flujos de residuos y carbón activado se han usado con frecuencia como un adsorbente. A pesar de su amplio uso en las industrias de tratamiento de agua y aguas residuales, el carbón activado se mantiene como un material costoso. En los últimos años, la necesidad de métodos seguros y económicos para la eliminación de metales pesados de aguas contaminadas ha requerido interés de investigación hacia la producción de alternativas de bajo costo, disponible comercialmente. Por lo tanto, existe una urgente necesidad de que todas las fuentes posibles de los adsorbentes de bajo costo basados en la agroindustria deben explorarse y su viabilidad para la eliminación de metales pesados debe ser estudiada en detalle (Ahmed, 2013). A continuación en la tabla 16 se destacan 3 métodos viables para la adsorción o eliminación de metales pesados, utilizando residuo industrial , desechos agrícolas y minerales. Igualmente se destacan 2 métodos de remoción por fotocatálisis y absorción para eliminación simultánea.
2.2.3 Fitorremediación. Es el uso de las plantas y los microbios del suelo asociados para reducir las concentraciones o los efectos tóxicos de los contaminantes en los ambientes. Es una tecnología relativamente reciente y se percibe como rentable, eficiente, respetuoso del medio ambiente, y la tecnología solar-impulsado con buena aceptación del público (Ali et al.
2013). Estas fítotecnologías ofrecen numerosas ventajas en relación con los métodos fisicoquímicos que se usan en la actualidad, por ejemplo, su amplia aplicabilidad y bajo costo (Delgadillo etal, 2011). En esta revisión (Tabla 17) se presenta un panorama de las diversas técnicas fitocorrectivas empleadas para restaurar efluentes contaminados.
2.2.4 Biopolímeros. son industrialmente atractivos porque son capaces de reducir las concentraciones de iones metálicos de transición a concentraciones de partes por billón, son ampliamente disponibles y ambientalmente seguros (Barakat, 2011). Poseen un número amplio de diferentes grupos funcionales, tales como hidroxilos y aminas, que aumentan la eficiencia de la absorción de iones metálicos (Tabla 18).
2.2.5 Hidrogeles. Son polímeros hidrófilos reticulados capaces de ampliar sus volúmenes debido a su alta expansión en el agua. Por consiguiente, ellos son ampliamente utilizados en la purificación de las aguas residuales (Barakat,2011; Hua, et al; 2014) Diversos hidrogeles se han sintetizado e igualmente investigado su comportamiento de adsorción de metales pesados, en la tabla 19 se presentan tres casos de estudio.
2.2.6 Ceniza Volante. Las cenizas volantes, generadas durante la combustión de carbón para la producción de energía, es un subproducto industrial que es reconocido como un contaminante ambiental, debido a su enriquecimiento en elementos traza potencialmente tóxica que se condensan del gas de combustión. Este material se ha reutilizado como un adsorbente de bajo costo para la eliminación de compuestos orgánicos, gases de combustión y los me- activación química y física (Ahmaruzzaman ,2010). tales pesados (Visa & Chelaru, 2014); luego de au- En la tabla 20 se exponen las condiciones de tres mentar su capacidad de adsorción mediante de la estudios con estos materiales.
3. Conclusiones
La regulación ambiental referente a vigilancia y control de los vertimientos industriales ha presentado un fortalecimiento evolutivo en los últimos años y ha evidenciado un notable incremento en los controles sobre los metales pesados; todo esto, debido al grado de peligrosidad de estos residuos y a su desbordado aumento y persistencia en las fuentes hídricas. El amplio espectro de tratamientos con diversos componentes y modificaciones que han sido estudiados para evaluar su eficiencia en la remoción de los metales pesados, también evidencia la preocupación de las autoridades y de la comunidad científica por presentar soluciones a esta problemática; actualmente se ha desarrollado un elevado número de técnicas y de nuevos materiales con eficiencias prometedoras en procesos de absorción y adsorción, todas con el marcado objetivo de reducir costos energéticos y operacionales, que permitan su implementación y sostenibilidad.
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