Las problemáticas regionales de la provisión de agua potable como objetivo de proyectos de laboratorio de Ingeniería Química Departamento de Ingeniería Química, Universidad Nacional del Sur Alumnos de Laboratorio de Procesos Químicos y Seminario de Medio Ambiente: M. Álvarez Serafini C. Canutti F. Di Bella M. Marbán Y. Meconi E. Munch Jones M. Pezzutti R. Wesner 2012 Docentes: M. Duarte, G. Foco, J. Merino, J. Sanchez, G. Tonetto, D. Damiani

Laboratorio de Procesos Químicos Objetivos: Revisar y consolidar conceptos teóricos adquiridos en cursos previos mediante el diseño, implementación y realización de experiencias a escala laboratorio y/o piloto, el análisis y discusión de resultados Materia cuatrimestral de quinto año de la carrera de Ingeniería Química, Los objetivos de enseñanza y aprendizaje del curso son introducir a los estudiantes del último año de ingeniería química a un paradigma de la ingeniería diferente, dentro de un contexto centrado en el alumno, demostrando a los alumnos cómo se relacionan sus estudios a la práctica de la ingeniería en el mundo real, haciéndolos participe de su propia educación, introduciéndolos como actores activos a la problemática social de la región.   En forma paralela se busca refrescar y revisar conceptos teóricos previamente aprendidos mediante experimentos sencillos, familiarizar al estudiante con el funcionamiento de equipos a escala laboratorio y piloto, analizar críticamente los resultados de los experimentos y reportar esos resultados, y obtener una visión más integral del diseño y operación de procesos de ingeniería química. La Fig. 1 muestra los contenidos/materias de la curricula de Ingeniería Química, que los alumnos deberían aplicar en el desarrollo de su proyecto. Los grupos de trabajo están conformados por cuatro o cinco alumnos. La formación de los grupos se dejó a la libre elección de los propios alumnos.

INTRODUCCIÓN. panorama mundial A pesar de ser fundamental e indispensable para la vida, hasta hace pocos años el acceso al agua no era contemplado como uno de los Derechos Humanos por los principales Organismos Internacional. ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS  Resolución sobre el derecho humano al agua y el saneamiento (2010) Panorama mundial actual El acceso a una fuente de agua potable es un derecho fundamental e indispensable para la vida y el desarrollo de todo ser humano. Pese a esto, actualmente en más de 80 países, que albergan aproximadamente el 40% de la población mundial, el suministro de agua apta para consumo no alcanza la calidad y cantidad necesaria [1]. Y estas cifras empeoran si se considera que el crecimiento poblacional, principalmente en los países en vías de desarrollo, aumenta de forma exponencial, mientras que las fuentes y suministros de agua potable permanecen en constante amenaza producto del consumo desmedido y la contaminación.

INTRODUCCIÓN. panorama mundial A escala global, 80 países que albergan a más de 40% de la población mundial, carecen de acceso a una fuente de agua que alcanza los niveles de calidad y cantidad requiridos. Y con los años la situación empeora dramáticamente. Según la Organización de las Naciones Unidas, y otras instituciones internacionales, el consumo de agua contaminada produce la muerte de 6000 personas por día, la mayoría de ellas niños menores de 10 años [1]. Es por ello que es de carácter crítico encontrar e implementar las vías necesarias para tratar a los efluentes contaminados, así como purificar los cursos de agua. Entre las principales sustancias inorgánicas peligrosas que pueden estar presentes se encuentran: fluoruros, nitratos y nitritos, Cromo, Cadmio, Zinc, fluor y Arsénico. Estos dos últimos contaminantes serán estudiado durante el presente informe,

Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico (HACRE) ARSÉNICO Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico (HACRE) • Prurito • Lesiones en la piel y los nervios periféricos, • Neuritis en miembros superiores e inferiores del cuerpo • Cáncer Es un veneno muy antiguo y legendario. Al ingresar al organismo se va acumulando pudiendo producir diferentes tipos de cáncer, como de piel o de pulmón. Una intoxicación crónica, por otro lado, puede recaer en un caso de Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico (HACRE), enfermedad que produce desde prurito, lesiones en la piel y los nervios periféricos, hasta neuritis en miembros superiores e inferiores del cuerpo o cáncer. En la República Argentina, actualmente hay más de 2.500.000 habitantes del país que están en continuo riesgo por el consumo de agua con altas concentraciones de Arsénico. El límite

FLUORURO •Intoxicación crónica •Sintomatología: aparece luego de una prolongada exposición al tóxico. • Fluorosis dental: Debilitamiento de las piezas dentales • Fluorosis esquelética: alta formación de osteoblasto, mayor probabilidad de sufrir fracturas y dolor en las articulaciones • Envejecimiento prematuro y diversos tipos de cáncer. Hoy en día se lo considera un tóxico ambiental, provocan fluorosis dental, patología que debilita las piezas dentarias haciéndolas susceptibles a caries y causando la pérdida dentaria con el correr de los años. Cuando las concentraciones de fluoruros superan los 4 mg/l, provocan daños a nivel del sistema óseo, fluorosis esquelética, convirtiendo los huesos en piezas rígidas propensas a fracturas, siendo las más comunes, las de caderas. Pero aún a bajas concentraciones provoca efectos subclínicos que predisponen al individuo a un daño mayor (7). A concentraciones elevadas provoca deformaciones óseas y otras patologías, entre las que se encuentran deficiencia renal y hepática, osteosporosis, anorexia, abortos y malformaciones. El flúor no sólo es capaz de dañar las piezas dentarias y huesos, sino también células del cerebro e incluso las células del sistema reproductivo masculino. Los efectos en estos órganos son mayores mientras mayor sea el consumo de flúor. El flúor ingresa en el organismo en forma de iones (fluoruros) tal como está presente en el agua. En el tracto gastrointestinal pasa a través de las barreras fisiológicas a la sangre, la cuál se encarga de distribuirlo a todos los órganos para finalmente depositarse en los huesos. Los fluoruros que no son absorbidos por el organismo son eliminados a través de los riñones, también por heces y en menor proporción por sudor (8). La intoxicación producida por altas concentraciones de fluoruros en el agua es crónica y la sintomatología aparece luego de una prolongada exposición al tóxico. También provoca envejecimiento prematuro y diversos tipos de cáncer.

INTRODUCCIÓN. panorama nacional En la República Argentina hay más de 2.500.000 de habitantes en continuo riesgo por el consumo de agua con elevadas concentraciones de Arsénico. Límites Máximos permitido en el país: Arsénico 50 ppb (0,05 mg/L) Flúor: 0,9 - 1,7 mg/l entre 21 y 26 ºC En la República Argentina, pese a que el Artículo 41 de la Constitución Nacional establece el derecho de todos los habitantes a gozar de un ambiente sano, equilibrado y apto para el desarrollo humano, actualmente hay más de 2.500.000 habitantes del país que están en continuo riesgo por el consumo de agua con altas concentraciones de Arsénico y fluor. La presencia de arsénico en las fuentes de abastecimiento de agua es indeseable por sus efectos negativos ([i]). El arsénico está presente naturalmente en suelos, aunque también puede tener fuentes antropogénicas ([ii]). El nivel de arsénico en el agua de pozo de muchas zonas de la Provincia de Buenos Aires supera ampliamente el nivel recomendado por la Organización Mundial de la Salud (10 ppb) ([iii]) y el establecido por el Código Alimentario Argentino (50 ppb, reducción proyectada a 5 años a 10 ppb) ([iv]). Varios barrios de la ciudad de Bahía Blanca presentan este problema en aguas de perforación. En 2007 se detectó que el 33% de los pobladores de parajes como Alférez San Martín y Sauce Chico padecían de consecuencias físicas por el consumo de agua contaminada ([v]). Por otra parte el flúor puede catalogarse como un elemento esencial, desde el punto de vista de la nutrición humana, ya que es un oligoelemento, imprescindible para la formación de huesos y dientes. Sin embargo, el exceso de flúor en aguas de bebida puede generar graves problemas. El contenido límite recomendado de flúor depende de la temperatura. Entre 21 y 26 ºC el límite inferior está entre 0,9 mg/l y el límite superior en 1,7 mg/l (4). Las aguas subterráneas de la provincia de Buenos Aires tienen un exceso de flúor, cuyo origen en muchas partes es geológico. ([i]) N. Kumar, C. Twarakavi and J. Kaluarachchi, Journal American Water Resources Association Vol. 42 (abril 2006) pp. 275-294 ([ii]) J. Bundschuh, M. Litter, V. Ciminelli, M. Morgada, L. Cornejo, S. Garrido Hoyos, J. Hoinkis, M. Alarcón-Herrera, M. Armienta, and P. Bhattacharya, Water Research Vol. 44 (2010) pp. 5828-5845. ([iii]) Organización Mundial de la Salud, 2006. “Guías para la calidad del agua potable”. Vol. 1. ISBN 92 4 154696 4: 1-398. Ginebra. ([iv]) Código Alimentario Argentino, capítulo XII, Art. 982. ([v]) Diario La Nueva Provincia, 7/11/2011

INTRODUCCIÓN. panorama provincial arsénico Gran número de localidades de la Provincia de Buenos Aires presentan napas subterráneas afectadas por agua con alta concentración de arsénico y fuoruros. Bahía Blanca A nivel provincial, según un estudio realizado por la Universidad Nacional de La Plata en el año 2005, casi 30 localidades de la Provincia de Buenos Aires tienen sus napas subterráneas afectadas por altas concentraciones de Arsénico, principalmente en las Regiones Sanitarias I y II. Como puede observarse en la Figura 1, la ciudad de Bahía Blanca, si bien no se encuentra a nivel general entre los lugares más problemáticos, presenta zonas de un importante riesgo. En nuestro país las principales provincias afectadas por la presencia natural de flúor en aguas subterráneas son entre otras: Buenos Aires, Córdoba, La Pampa, Santa Fe, San Luis y La Rioja, como puede verse en la figura (1). La ciudad de Bahía Blanca, perteneciente a la Región Sanitaria I, presenta zonas de importante riesgo. Distribución del contenido de flúor en agua. En negro >3mg F-/L; en gris: 1-3mg F-/L.

INTRODUCCIÓN. panorama local Escuela de Educación General Básica, EGB N° 51, Rafael Obligado. Kilómetro 15 del Camino de la Carrindanga, Bahía Blanca. Agua de perforación a 30 m, Elemento Concentración medida (mg/l) Arsénico 0,06 – 0,07 Fluoruros 2,9 -4 El destinatario del proyecto es la Escuela Rural N° 51, ubicada a 15km de la ciudad de Bahía Blanca. Esta escuela cuenta con 5 alumnos, y fue elegida porque debe ser provista con agua potable desde la ciudad de Bahía Blanca, debido a la alta concentración de arsénico y flúor presente en el agua subterránea de la zona. El éxito del presente proyecto favorecerá también a las familias de los estudiantes, dado que se plantea extender las actividades en la comunidad.   Remoción de Arsénico en agua para consumo humano

Selección de la metodología de trabajo Búsqueda bibliográfica y evaluación de las técnicas disponibles Se priorizó la sencillez de los métodos, uso de materiales económicos y de fácil obtención A| los alumnos se les presentó el problema a resolver, se les dio un tiempo de dos semanas para realizar una búsqueda bibliográfica y evaluación de las técnicas disponibles. Se priorizó la sencillez del método y el uso materiales económicos y de fácil obtención. En función de estas pautas, los alumnos seleccionaron:   -         Intercambio iónico de flúor en hidroxiapatita (HAP) obtenida por calcinación de huesos bovinos -         La remoción de arsénico usando hierro metálico, que debe oxidarse para generar FeOOH, y un elemento filtrante para retener los flóculos formados. Intercambio iónico de flúor en hidroxiapatita (HAP) obtenida por calcinación de huesos bovinos Remoción de arsénico usando hierro metálico, que debe oxidarse para generar un sol de Fe2O3, y un elemento filtrante para retener los flóculos formados.

Remoción de Arsénico

TRABAJO EXPERIMENTAL Diseño experimental 1 Se construyó una columna de adsorción con un tubo de vidrio de 4 cm de diámetro y 35 cm de largo (Fig. 3); se colocó verticalmente ubicando en el extremo superior un reservorio con forma de embudo donde se colocó la lana de hierro y que funcionó como canasta difusora, de forma tal que el flujo fuera uniforme y lento, maximizando así el tiempo de contacto entre el agua y el adsorbente. Para el armado del sistema de filtrado se utilizó grava y arena de distintos tamaños de diámetro, las cuales se clasificaron con tamices de 355 micrómetros y 900 micrómetros. Se armó un filtro de 5 cm de grava gruesa en el fondo, seguido por 8 cm de grava media, luego 8 cm de grava fina, 8 cm de arena gruesa y 8 cm de arena fina. En el extremo inferior del tubo de vidrio se colocó un tapón de goma con una perforación en la cual se colocó una manguera de 4 mm para la salida del agua filtrada.

ETAPAS DEL PROCESO Diseño experimental 2 En este trabajo se propone utilizar una nueva posibilidad de tratamiento [5]. La propuesta entonces, consiste en: • Clorar el agua a ser tratada. • Pasar el agua a través de un lecho fijo de lana, limaduras o trozos de hierro metálico; se forma por corrosión el sol de Fe2O3, que actúa como agente floculante. • Filtrar el agua a efectos de retener el flóculo formado mediante un filtro de tela. Durante la cloración se produce la oxidación del As(0) y As(III) presentes en el agua a As(V) La presencia de cloruros en el agua, ejerce un significativo efecto sobre la estabilidad del film pasivante de Fe2O3, evitando que sea perfectamente protector y permitiendo entonces que la corrosión continúe, y se formen los flóculos para la adsorción de las especies de arsénico. R. Cáceres, Tesis doctoral, Universidad Nacional de San Juan, 2007

TRABAJO EXPERIMENTAL Diseño experimental 2 El tanque de agua cruda se ubicó a suficiente altura. • Se colocó una válvula On-Off a la salida de dicho tanque. • El sentido de circulación fue ascendente tanto en el reactor como en el acondicionador. • En la salida del filtro se ubicó una válvula reguladora de caudal. • El sistema se diseñó completamente sellado. R. Cáceres, Tesis doctoral, Universidad Nacional de San Juan, 2007

Remoción de Flúor La hidroxiapatita [Ca5(PO4)3OH] es un mineral perteneciente al grupo de las apatitas, formado por fosfatos de calcio en cuya red cristalina se hallan reemplazos de F-. Las características más importantes de la HAP son que presenta una alta superficie específica, y que la presencia de los grupos Ca2+, OH-, PO43- y CO32- sobre la superficie le confiere una reactividad especial. Los defectos en su red cristalina y el enriquecimiento en iones calcio le otorga carga superficial con la que puede realizar reacciones de intercambio iónico (). () X. Fan, D.J. Parker, and M.D. Smith, Water Research Vol. 37 (2003) pp. 4929-4937 Metodología: Intercambio iónico de flúor en hidroxiapatita (HAP) obtenida por calcinación de huesos bovinos

TRABAJO EXPERIMENTAL Hidroxiapatita: hueso bovino calcinado a 500°C por 3h El peso se redujo entre un 40 y un 50%. El material se trituró y se tamizó para descartar partículas mayores a 4mm. Se determinó la composición por DRX (difracción de rayos X): 98% de pureza. Para la obtención de la hidroxiapatita se calcinó hueso bovino en un horno de barro, a 500°C durante aproximadamente 3 horas. El peso se redujo entre un 40 y un 50%. Posteriormente se trituró en una moledora de grano y por último se tamizó para descartar aquellas partículas mayores a 4mm. Se determinó la composición por análisis de difracción de rayos X, en el Departamento de Geología de la UNS, encontrándose un 98% de pureza. La determinación analítica de la concentración de fluoruros se realizó utilizando un kit comercial (LaMotte 3647-SC) y también mediante el uso de un electrodo de ión específico.

Trabajo experimental • Columna de lecho fijo (Hidroxiapatita) • Disminución de aproximadamente el 90 % de la concentración en un tiempo reducido Se armó una columna de adsorción con una altura de lecho de 75 cm (compuesto por HAP y piedras) y un diámetro de 3,8 cm, que operó con un caudal de 30 ml/min, y un tiempo de residencia total de aproximadamente 13,23 min. Se realizaron ensayos a fin de determinar la forma del frente estequiométrico. La Fig. 5 presenta los resultados encontrados, siendo Co la concentración de F a la entrada del lecho, y Ci a la salida. Se encontró que luego de dos horas de operación, la concentración de flúor a la salida presentó una disminución del 99,7% respecto de la de entrada. Además, una vez transcurridas 20hs de operación, la columna presentó una adsorción de aproximadamente el 50% del flúor de entrada. Columna experimental

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES PRELIMINARES Los resultados preliminares alcanzados muy aceptables: se lograron niveles de As y F- dentro de los valores indicados en el CAA Constituyó la base, y fue seleccionado como Proyecto de Extensión de la Universidad Nacional de Sur. Tecnología emergente que presentó las siguientes ventajas: barata y asequible para poblaciones con un ingreso económico bajo diseño simple, de fácil instalación y mantenimiento utilización de materiales que se consiguen en la localidad, y usos de recursos energéticos mínimos

CONCLUSIONES Creación de un paradigma diferente de la ingeniería Respuesta a problemáticas sociales de nuestra ciudad Comprensión de la importancia de los aspectos sanitarios y ambientales que deben ser resueltos en un ámbito ingenieril la metodología implementada es un camino válido para la formación de ingenieros con inquietudes sociales. Como conclusiones del presente resumen, puede indicarse que el desarrollo del trabajo propuesto: acercó a los estudiantes de ingeniería química del último año a un paradigma diferente de la ingeniería, centrado en un estudiante activo en su aprendizaje en un entorno inclusivo de enseñanza, demostró a los alumnos cómo sus estudios se relacionan con la práctica de la ingeniería en el mundo real, y que pueden dar respuesta a problemáticas sociales de su propia ciudad introdujo a los estudiantes a la investigación de tecnologías y su aplicación real, con el fin de despertar su curiosidad. acercó a los estudiantes el concepto de la importancia de los aspectos sanitarios y ambientales que deben ser tenidos en cuenta para la transferencia exitosa de un proyecto de ingeniería de este tipo la metodología implementada es un camino válido para la formación de ingenieros con inquietudes sociales. Presentar un objetivo superior al académico, donde los alumnos deben pensar en alcanzar un resultado transferible para verdaderamente contribuir a solucionar un problema de la región, origina que los estudiantes se involucren en la problemática y quieran ser parte de la solución.

¡Muchas Gracias!