Minimizacion del impacto ambiental de las aguas oleosas mediante columna rellena con bagazo de caña de azúcar

Reduction of the environmental impact of oleaginuos water by means of a fix bed column filled with sugar cane bagasse

Pastora de la C. Martínez Nodal ^1*, Elena R. Rosa Domínguez¹,Iván L. Rodríguez Rico², Jorge Leiva Mas² y Maira María Pérez Villar¹

¹Centro de Estudios de Química Aplicada, Facultad de Química y Farmacia, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Carretera a Camajuaní Km 5 ½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. ]]> ² Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Química y Farmacia, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Carretera a Camajuaní Km 5 ½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba.

RESUMEN

A partir del diagnóstico ambiental realizado en el proceso de centrifugación del combustible utilizado como materia prima para la generación de energía eléctrica en las Centrales Eléctricas (CE) que operan con diesel y la caracterización físico-química del agua residual oleosa (ARO) que se genera, se realizó la evaluación de impacto ambiental que estas aguas provocan si son vertidas el medio sin tratamiento alguno. Se confeccionó una matriz de importancia que permitió identificar las acciones y factores impactados por la actividad y los residuos generados. Partiendo de la caracterización físico-química del ARO se propone un tratamiento sustentable con la utilización de una columna de lecho fijo rellena con bagazo de caña de azúcar como material biosorbente, para minimizar el impacto ambiental provocado por las aguas oleosas en caso de derrame. Al bagazo de caña de azúcar natural (BN) se le realizó una caracterización físico-química: humedad, densidad aparente, porosidad y capacidad máxima de adsorción. Con los resultados obtenidos se definió la fracción de interés (+1 -2 mm), dado por el rendimiento en el tamizado (41%), la homogeneidad de dicha fracción y su capacidad de sorción (2g diesel/g BN). La curva de ruptura se obtuvo mediante un sistema de flujo continuo de 2 L/h de ARO a través de un lecho fijo de 59,997 g de BN y una concentración inicial de hidrocarburo de 1444,9 mg/L. Los estudios demostraron que el bagazo de caña de azúcar tiene potencialidades como biosorbente de hidrocarburos, lográndose una remoción significativa del indicador hidrocarburo total, de un 65%.

Palabras claves: aguas oleosas, biosorbentes, bagazo de caña de azúcar, remoción de hidrocarburos.

ABSTRACT

From the environmental assessment conducted in the centrifugation process fuel that is used as raw material for generating electricity in Power Plants (CE) operating with diesel and the physicochemical characterization of oleaginuos water (ARO) that it generates, it was performed the environmental impact assessment of these waters if they are discharged without any treatment. A matrix of importance was made, which allowed us to identify the impact on the actions and factors by the activity and the generated waste. From the physico-chemical characterization of ARO, a sustainable treatment is proposed with the use of a fixed-bed column filled with sugar cane bagasse as biosorbent material to minimize the environmental impact caused by oleaginous water if spilled. A physicochemical characterization was made to the natural sugar cane bagasse in terms of moisture, density, porosity and high adsorption capacity. The results allowed to define the fraction of interest (+1 -2 mm), given by the performance in the screening (41%), the homogeneity of this fraction and sorption capacity (2g diesel/g BN). The breakthrough curve was obtained by a continuous flow system 2 l/h of ARO through a fixed bed of 59.997 g of BN and an initial concentration of hydrocarbon of 1444.9 mg/l. Studies showed that the sugarcane bagasse has potential as biosorbent oil, achieving a significant removal of the indicator total hydrocarbon, of 65%.

Keywords: oleaginous water, biosorbents, sugar cane bagasse, hydrocarbons removal.

INTRODUCCIÓN

Las aguas oleosas provienen de diversas fuentes y varían ampliamente en la composición y propiedades físicas. Un factor común en ellas, es que contienen tanto aceite como impurezas, gruesas y finas que forman una emulsión estable y un alto contenido de hidrocarburos. Según (Teas et al., 2002), Brito (2006) y (Ortiz et al., 2006), el tratamiento del agua oleosa es por tanto una tarea difícil, la sedimentación en el campo gravitatorio en algunos casos es lenta y frecuentemente una operación inefectiva que requiere mucho espacio y algunas veces requiere de cantidades excesivas de productos químicos, por lo que se debe tener en cuenta su procedencia y calidad para proponer una solución propia y viable desde el punto de vista técnico, económico y ambiental. Investigaciones recientes han demostrado que diferentes materiales pueden ser empleados como biosorbentes de hidrocarburos. Tal es el caso de fibras de palma, coco, caña de azúcar, algunas algas (buchón de agua), tallos de flores, cabellos humanos, plumas de pollos, cáscara de guayaba, entre otros. Estudios realizados por Reyes (2003), (Knight et al., 2000), (Ortiz y col., 2006); Salazar (2012) sobre biomateriales lignocelulósicos han aportado resultados significativos en la remoción de hidrocarburos. Entre ellos se destaca el bagazo de caña de azúcar por ser este un residuo de la industria azucarera de bajo costo, buena capacidad de biosorción y que una vez utilizado aumenta su poder calórico y puede ser reutilizado para la generación de energía, en diferentes procesos. El presente trabajo tiene como objetivo proponer tratamiento sustentable que permitan reducir el poder contaminante de las ARO mediante la utilización de una columna de lecho fijo rellena con bagazo de caña de azúcar como biosorbente.

MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Diagnóstico ambiental.

Se identificaron los impactos generados por la actividad y los residuos. Se elaboró una relación de acciones impactantes y factores impactados que se tuvieron en cuanta para la identificación, valoración y características de los impactos ambientales provocados. Acciones impactantes: A₂ – Generación y emisión de residuos líquidos. Factores impactados: F₁ – Fauna, F₂–Aguas subterráneas, F₃ – Suelo, F₄ – Flora, F₅– Factor humano. Para la evaluación de los impactos asociados a residuos  se tuvo en cuenta los parámetros matriciales de acuerdo a la matriz de importancia que propone Conessa (2000).

La caracterización físico - química del ARO se realiza según el "Procedimiento para la caracterización de aguas oleosas generadas en el proceso de lavado del diesel" desarrollado. La clasificación del ARO se realiza teniendo en cuenta los resultados de la caracterización realizada y lo establecido en la Resolución (136/2009) "Reglamento para el manejo integral de desechos peligrosos". Para realizar la caracterización físico - química se tomaron 6 muestras de ARO. A las muestras tomadas se le realizó una separación física y se tomo la fase agua oleosa (FAO), a la cual se les determinaron los contaminantes más relevantes: Demanda Química de Oxígeno (DQO), grasa y aceites e hidrocarburos, según lo establecido en APHA (2005). Los procedimientos analíticos y fundamentos de los métodos utilizados, son reportados en la Tabla 1.

2.3. Evaluación de la calidad de la fase agua oleosa.

La evaluación de la calidad del efluente se realizó de acuerdo con la legislación vigente, en la que se reportan los Límites Máximos Permisibles Promedio (LMPP) establecidos en la norma cubana: (NC 27:2012), para las descargas de aguas residuales, según la clasificación del cuerpo receptor.

2.4. Caracterización del bagazo de caña de azúcar natural como biosorbente de hidrocarburos.

El bagazo de caña de azúcar natural (BN) fue sometido a las operaciones: secado, molienda y tamizado para obtener una biomasa uniforme. Posteriormente se seleccionó la granulometría (+1 -2 mm) porque proporciona mejores condiciones hidrodinámicas y por la importancia de sus porcentajes másicos en la muestra (41 %), lo que resultaría operacional y económicamente ventajoso, de ser efectivas para el tratamiento de los residuales líquidos a tratar. Al bagazo de caña natural se le realizó una caracterización físico-química: humedad, densidad aparente, porosidad y capacidad máxima de adsorción,cuyos procedimientos se describen a continuación:

·Determinación de humedad: Se realizó en una balanza de humedad Sartorius modelo MC 40, a una temperatura de 105⁰C, de forma automática a la temperatura programada.

·Determinación de la densidad real. (Método Picnométrico): Se empleó un picnómetro de tipo Weld de 50 mL. La técnica consistió en pesar una masa determinada del material la cual se introduce en el picnómetro, luego se le adiciona el solvente (agua destilada), hasta el nivel de enrase.

·Determinación de la densidad aparente: Se utilizó una probeta seca y limpia. La técnica consistió en adicionar una masa del material hasta un determinado volumen (40 mL), luego se pesa la probeta con todo su contenido, y por diferencia se obtiene la masa del sólido.

·Determinación de la porosidad: La porosidad de la partícula de un sólido es una medida de la rugosidad y la capacidad de la superficie, se estimó a partir de su relación con la densidad, según la ecuación:

Ecuación 1

Donde: ρap = densidad aparente y ρreal = densidad real del BN

Ecuación 2

Donde: Ca = capacidad de sorción, mt = masa de material impregnado (peso del biosorbente e hidrocarburo sorbido) y m0 = masa del material biosorbente seco.

2.5. Experimentos de biosorción de hidrocarburo en discontinuo usando bagazo de caña de azúcar naturalcomo biosorbente. Curva de ruptura o quiebra.

Se empleó una columna de laboratorio(relación diámetro interior/diámetro de partícula: d/dp=34,6 y relación altura /diámetro interior: h/d=6,15) rellena con BN (diámetro de partículas (dp) entre +1 - 2 mm), a la cual se le hizo pasar agua oleosa (flujo continuo 2 L/h) y una concentración inicial de hidrocarburo de 1444,9 mg/L. A la salida se tomaron muestras cada 30 minutos y se les determinó: grasas, aceites (G, A) e hidrocarburos totales (HCT) como variables respuestas tal como lo aborda Lafuente (2010).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Resultados obtenidos del diagnóstico ambiental.

Teniendo en cuenta los aspectos matriciales fundamentales evaluados se obtiene la siguiente matriz de importancia.

Como resultado de este análisis se puede apreciar que los factores mayormente impactados son: las aguas subterráneas y el suelo de forma severa, si estas ARO son vertidas al medio en caso de derrames o sin la calidad requerida.

3.2. Resultados promedios obtenidos de la caracterización físico-química de la fase agua oleosa.

En la figura 2 se muestra el ARO antes de la separación física de la fase combustible (diesel) y después de la separación física (fase agua contaminada con hidrocarburo o fase agua oleosa)

El valor promedio del análisis físico – químico realizado a las muestras (fase agua oleosa), son reportados en la Tabla 2.

PV. Prohibido el vertimiento

3.3. Evaluación de la calidad de la fase agua oleosa.

De acuerdo a lo establecido en las Normas Cubanas Obligatorias (NC 27:2012), donde se establecen los límites máximos permisibles promedios (LMPP) para las descargas a los diferentes cuerpos receptores y teniendo en cuenta los resultados analíticos realizados; la fase agua oleosa (FAO) no cumple con la calidad requerida para su vertimiento a ningún cuerpo receptor, de la norma anteriormente mencionada.

3.4. Características fundamentales de la fase aguas oleosas. Clasificación.

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la caracterización físico - química realizada a la fase aguas oleosas después de la separación física, se pudo constatar que tienen un alto contenido de hidrocarburos (1444,00 mg/L) por lo que fueron clasificadas como residuos tóxicos y peligrosos según lo establecido en la legislación (Resolución 136/2009).

• Desechos químicos peligrosos.

Y 9. Mezclas y emulsiones de desechos de aceite y agua o de hidrocarburos y agua.

• Características Peligrosas

H6.1 Tóxicos (venenos) agudos. Sustancias o desechos que pueden causar la muerte o lesiones graves o daños a la salud humana, si se ingieren o inhalan o entran en contacto con la piel.

H11 Sustancias tóxicas (con efectos retardados o crónicos). Sustancias o desechos que, de ser aspirados o ingeridos, o de penetrar en la piel, pueden entrañar efectos retardados o crónicos, incluso la carcinogenia.

3.5. Tratamiento de la fase agua oleosa, utilizando bagazo de caña de azúcar como biosorbente en columnas de lecho fijo.

Tomando en consideración los estudios realizados y las características de la fase agua oleosa (FAO) una vez realizada la separación física, se propone utilizar una columna rellena con bagazo de caña de azúcar natural como biosorbente, para la limpieza de las aguas contaminadas con hidrocarburos (aguas oleosas) y reducir el carácter tóxico y peligros de las mismas.

3.6. Características físico –químicas del bagazo de caña de azúcar natural utilizado.

En la tabla 3 se resumen las propiedades físicas del BN (+1 -2 mm) utilizado en los estudios realizados.

Las propiedades físicas de los adsorbentes son fundamentales como criterio para la selección de diferentes materiales y la aplicación que se les va a dar a los mismos, es por ello que los métodos utilizados para su caracterización deben ser confiables y reproducibles.Teniendo en cuenta lo reportado por (Elizalde-González y Hernández- Montoya, 2009) en su estudio con materiales orgánicos naturales, el bagazo de caña evaluado promete resultados prominentes como un biosorbente de hidrocarburos en agua, con características similares a los ofertados en el mercado internacional como el 3M^TM microcordines T4, T8, T12, el PV 15 material vegetal particulado, entre otros (http://multimedia.3m.com). Además de su buen desempeño, la abundancia, disponibilidad y bajo costo de este subproducto de la industria azucarera y su biodegradabilidad, lo hacen un excelente material biosorbente para la remoción de hidrocarburos en aguas oleosas. Esto permite reducir considerablemente los costos adicionales de almacenamiento o disposición final que tienen los materiales adsorbentes sintéticos fabricados en su mayoría con polipropileno o poliuretano.

3.7.Resultados obtenidos en los experimentos de biosorción de hidrocarburo en discontinuo usando BN como biosorbente. Curva de ruptura o quiebra.

3.8. Remoción de los contaminantes.

En la tabla 4 se reportan las concentraciones de hidrocarburos en el afluente y el efluente de la columna y el porciento de remoción que se logra con la utilización del biosorbente evaluado (BN): hidrocarburos totales (65%).

Una vez que el bagazo de caña de azúcar natural este agotado aumenta su valor calórico y puede ser utilizado para la generación de energía, en diferentes procesos. Esta acción permite reducir el consumo de combustible fósil (diesel o fuel oíl) recurso no renovable de alto valor económico, que es necesario ahorrar. Además el uso de las fuentes renovables de energía debe incrementar su papel en el balance energético mundial. Dentro de las fuentes renovables, el bagazo de caña de azúcar tiene características que lo catalogan como un combustible natural para producir vapor y un efecto global positivo sobre el medio ambiente con respecto al uso de los combustibles fósiles (González y col., 2013).

CONCLUSIONES

1.La evaluación realizada al bagazo de caña de azúcar natural demostró que el mismo tiene potencialidades como biosorbente de hidrocarburos, por lo que se recomienda como relleno en columnas de lecho fijo para la remoción de hidrocarburos en aguas residuales.

3.En las acondiciones experimentales estudiadas la columna puede operar 6 horas continuamente antes de ser remplazada.

REFERENCIAS

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Recibido: Octubre 13, 2015;
Revisado: Noviembre 18, 2015;
Aceptado: Diciembre 9, 2015