Material absorbente para recogida de hidrocarburos en derrames en aguas y suelos
Absorbent material to pick up oil spills in water and soils
Dr.C Miguel Ángel Díaz-Díaz, MSc. Lester Rivas-Trasancos, Lic. Maydeibys León-Barrios, MSc. Jessell Acosta-Sánchez
Centro de Investigación del Petróleo, La Habana, Cuba, michael@ceinpet.cupet.cu
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RESUMEN
El objetivo de este estudio ha sido la producción a escala piloto de un material absorbente base bagazo, para recogida de hidrocarburos en derrames en aguas y suelos. Para ello s e realizó la preparación de 30 kg de material absorbente base seca, mediante tratamiento químico del bagazo, el cual fue secado previamente por 72 h a temperatura ambiente, sometido a tratamiento con hidróxido de sodio y peróxido de hidrógeno. El producto se envasó en bolsas de malla de nylon conteniendo 10 kg base húmeda cada una, conformadas como almohadillas absorbentes. La prueba en condiciones dinámicas del material absorbente obtenido se realizó en una fase acuosa en movimiento (condiciones hidrofílicas) conteniendo hidrocarburos (condiciones oleofílicas), según método ASTM F 726-12. La capacidad de sorción promedio obtenida para el material bagazo modificado por tratamiento químico se considera aceptable comparado con algunos de los productos comerciales conocidos.
Palabras clave: absorbente, derrames, hidrocarburos, suelos, contaminación.
ABSTRACT
The aim of this study was the pilot scale production of an absorbent material base bagasse to pick up oil spills in water and soils. For this purpose, it was prepared 30 kg of dry basis absorbent material by chemical treatment of the bagasse, which was previously dried for 72 h at room temperature, submitted to treatment with sodium hydroxide and hydrogen peroxide. The product was packed in nylon mesh bags, each one containing 10 kg of wet absorbent pads. Dynamic conditions test of the absorbent material obtained is conducted in a moving aqueous phase (hydrophilic conditions) containing hydrocarbons (oleophilic conditions), according to method ASTM F 726-12. The average sorption capacity obtained for the modified bagasse material by chemical treatment is considered acceptable, compared to some of the known commercial products.
Keywords: absorbent, spills, hydrocarbons, soils, pollution.
]]> INTRODUCCIÓN
Se ha demostrado que el empleo de sorbentes resulta una medida de control efectiva en muchos escenarios de derrames. Sin embargo, después de la operación de limpieza inicial el sorbente junto al petróleo adsorbido, así como otros materiales asociados con la actividad de limpieza deben tener una disposición final adecuada [1–2].
Las regulaciones ambientales a nivel mundial en los últimos diez años han obligado a la aplicación de soluciones a estos vertidos, los cuales de por sí son extremadamente caros. La combinación de los cambios regulatorios ambientales, unido a los esfuerzos por adquirir en el mercado sorbentes para la eliminación de derrames petroleros con menor costo / beneficio, y el interés renovado de la industria por reducir y/o eliminar los derrames, ha generado un interés por las tecnologías de punta en el terreno de los sorbentes. Eficiencia, costo y conveniencia son los de mayor importancia. Por esta razón, en el mundo existe una tendencia actual, según su disponibilidad, de buscar materiales adsorbentes de fibras naturales como astillas de madera, cortezas de árboles, cáscaras de cocos, pajas de arroz entre otras; por su alta capacidad de adsorción y biodegradabilidad. Existen también investigaciones que confirman el buen desempeño del bagazo de caña y el lirio acuático para la adsorción de hidrocarburos [2–5], así como la fibra de kenaf combinada con una o más especies de hongos [6].
Entre los absorbentes oleofílicos que se comercializan internacionalmente se pueden numerar los productos ECOSORB, el material ABSORB LIPOFILICO y un absorbente industrial base zeolita [7], los cuales sirven para aplicación en derrames de crudo, aceites y combustibles, tanto en aguas, como en suelos. La correcta incineración de algunos no genera gases tóxicos sino residuos de incineración inferiores al 0,05 %, con el consiguiente impacto ambiental.
Biomatrix Gold [8] es una planta llamada Sphagnum Peat Moss (turba), compuesta de rizoides que contiene millones de células con un vaso capilar único. Es un producto muy versátil que hace posible su uso en vertidos industriales y derrames incontrolados en el suelo, agua y subsuelo. Durante un proceso térmico se activa la turba revertiendo sus características normales, convirtiéndose en Biomatrix Gold, que es extraordinariamente hidrófobo y atractivo a los hidrocarburos y sus derivados. En general, la adsorción de hidrocarburos en musgo ha sido poco estudiada [9].
Un estudio encaminado a identificar y evaluar materiales orgánicos naturales, que puedan ser utilizados como sorbentes en las operaciones de limpieza de derrames de hidrocarburos, tanto en suelos como en cuerpos de agua, ha sido realizado en la Universidad Nacional de Colombia [10]. Se evaluó la capacidad de sorción de fibra de caña, fibra de coco y buchón de agua (lirio acuático), y se encontró que los tres materiales evaluados tienen una capacidad igual o superior a un material comercial contra el cual fueron comparados. Se observó que los resultados dependían de algunas variables como la viscosidad del hidrocarburo, granulometría (tamaño de partícula en malla tyler) y estructura del material. En la sorción de agua, la fibra de caña fue la que mostró la mayor hidrofobicidad, a diferencia del buchón, el cual es bastante hidrofílico. Se determinó y modeló la cinética de sorción de los materiales con tres hidrocarburos: 35, 30 y 25 0API. Los materiales alcanzaron su saturación en menos de un minuto, lo que permite tener una alternativa rápida para la limpieza y control de derrames de hidrocarburos. Se realizó un tratamiento térmico a los materiales con el fin de mejorar su hidrofobicidad y comportamiento en derrames sobre cuerpos de agua. La fibra de caña fue el material que presentó mejores resultados con el tratamiento térmico, seguido por el buchón de agua; la fibra de coco no presentó un cambio significativo en su hidrofobicidad.
La patente MX265726 del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares de México [11], se refiere a la obtención de materiales sorbentes a partir de bagazo de caña de azúcar modificado química y radiológicamente y consiste en la transformación de sustancias naturales presentes en el bagazo de caña, que posteriormente logran un mayor grado en sus propiedades de sorción tanto de compuestos orgánicos en general, como de petróleo y sus derivados, así como de metales pesados. Relacionada con el campo de la contaminación ambiental ocasionada por hidrocarburos y por otros contaminantes en grandes volúmenes de agua, la misma propone un método químico y físico-químico que modifica las propiedades del bagazo de caña, con el fin de elevar los niveles de absorción.
La Patente CU23392 es un producto desarrollado para la recogida y absorción de hidrocarburos fundamentalmente en aguas [12], el cual ha sido utilizado a pequeña escala. La invención se relaciona con el procedimiento de obtención de un material absorbente a partir de un producto biodegradable residuo de la industria azucarera, el bagazo, para ser empleado en tratamientos en derrames de hidrocarburos en cuerpos de agua y suelos y el producto resultante aprovecharlo en la agricultura como fertilizante orgánico después de acondicionar el mismo (composting) o directamente como combustible.
Los nuevos materiales absorbentes en el mercado internacional resultan versátiles y efectivos, a los cuales por su composición, pueden buscarse alternativas con materiales cubanos similares. La utilización de un recurso natural local, no solo evitaría eventuales contaminaciones ambientales, sino que abriría un abanico de posibilidades comerciales y evitar importaciones.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se realizó la preparación de 30 kg de material absorbente base seca, mediante tratamiento químico del bagazo, de acuerdo al esquema descrito por la Patente 23392 [12]. Para ello se utilizó bagazo correspondiente a la zafra 2013-2014, el cual fue suministrado por un central azucarero en la región de Mayabeque, donde predominan los suelos fersialíticos, pardos, ferralíticos y húmicos calcimórficos. El bagazo fue secado previamente por 72 h a temperatura ambiente (30 – 32 0C) en período de seca y posteriormente sometido a tratamiento con soluciones de hidróxido de sodio al 3 % y peróxido de hidrógeno al 0,5 %, ambos preparados a partir de reactivos grado técnico.
Se determinó la distribución de tamaño de partículas (tabla 1) para definir la fracción de interés en base al rendimiento en el tamizado y la homogeneidad de dicha fracción [13].
TABLA 1. BAGAZO MODIFICADO POR TRATAMIENTO QUÍMICO
| Distribución de tamaño de partículas | ||
| mm | g | % |
| 3,5 | ]]> 1,17 | 1,1 |
| 3,5 | 47,31 | 47,3 |
| 2,0 | 18,27 | 18,3 |
| 0,08 | 32,88 | 32,9 |
| < 0,08 | 0,37 | 0,4 |
| total | ]]> 98,83 | 1,00 |
Se determinó la relación de absorción de agua del producto obtenido (tabla 2), con un contenido de 55 % de humedad, la cual nos indica las propiedades oleofílicas del adsorbente. La densidad de almacenamiento fue de 89,5 g/L, determinada según método F 726-12 [14].
TABLA 2. RELACIÓN DE ABSORCIÓN DE AGUA
| Masa absorb(g) | M. inicial | M. con H2O | Mf - Mi | g agua / g absorb |
| 20 | ]]> 116,147 | 221,949 | 105,802 | 5,29 |
| 35 | 172,326 | 341,982 | 169,656 | 4,85 |
| 50 | ]]> 269,314 | 527,772 | 258,458 | 5,17 |
|
|
|
| X MEDIA | 5,10 |
En la figura 1 se muestra el bagazo seco antes del tratamiento y el material absorbente obtenido, respectivamente.
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Al material absorbente obtenido se le realizaron las pruebas estáticas corta (15 min) y larga (24 h) sobre crudo ligero (densidad 0,873 g/cm3) y mediano (densidad 0,916 g/cm3) que son los recomendados, para determinar su capacidad de sorción, de acuerdo al método F 726-12 [14] para absorbentes tipo II. Se utilizó la fracción granulométrica de 0,1 – 3,5 mm.
En la figura 2 se aprecian las pruebas estáticas de absorción de hidrocarburos del material obtenido, según este método.
El producto se envasó en bolsas de malla de nylon conteniendo 10 kg base húmeda cada una, conformadas como almohadillas absorbentes, para las pruebas en condiciones dinámicas.
Las pruebas en condiciones dinámicas del material absorbente obtenido se realizaron en una fase acuosa en movimiento (condiciones hidrofílicas), conteniendo hidrocarburos (condiciones oleofílicas), según establece el método F 726-12 [14]. Para esto, las bolsas con el material elaborado fueron introducidas en el canal de entrada de aguas residuales de un separador API con una concentración mayor de 30 mg/L de hidrocarburos. La figura 3 muestra la prueba en condiciones dinámicas del material absorbente obtenido.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la sorción de hidrocarburos ligeros (35 0API), el fenómeno predominante es la absorción, mientras que en la sorción de hidrocarburos medios (30 0API) se presentan dos fenómenos: la absorción y la adsorción, por lo que la capacidad de sorción del material absorbente para este tipo de hidrocarburo es mayor. En la sorción de hidrocarburos pesados (25 0API), el fenómeno predominante es la adsorción, debido a que la viscosidad del hidrocarburo facilita el taponamiento de las estructuras de entrada a los espacios capilares, lo que impide que ocurra la absorción de forma significativa [10].
TABLA 3. PRUEBA DE ABSORCIÓN CORTA (15 MIN)
| CRUDO | Pi(g) | Pf(g) | Absorción (g HC/g absorbente) |
| Crudo ligero | 10,0 | ]]> 56,5 | 4,65 |
| 10,0 | 51,9 | 4,19 | |
| 10,0 | 51,2 | 4,12 | |
| Crudo mediano | 10,0 | ]]> 62,6 | 5,26 |
| 10,0 | 56,6 | 4,66 | |
| 10,0 | 64,6 | 5,46 |
| CRUDO | Pi(g) | ]]> Pf(g) | Absorción (g HC/g absorbente) |
| Crudo ligero | 10,0 | 64,4 | 5,44 |
| 10,0 | 60,8 | 5,08 | |
| 10,0 | ]]> 65,6 | 5,56 | |
| Crudo mediano | 10,0 | 65,2 | 5,52 |
| 10,0 | 69,2 | 5,92 | |
| 10,0 | ]]> 67,2 | 5,72 |
En la etapa inicial de sorción, el hidrocarburo es sorbido por algunas interacciones y fuerzas de Van der Waals entre el hidrocarburo y las ceras que se encuentran sobre la superficie de la fibra, debido a que la cera y el hidrocarburo son químicamente similares, además de adherirse por la superficie irregular que presenta el material. De la misma forma, la sorción dentro de la fibra ocurre por difusión a través de un movimiento capilar interno [2, 15].
En la prueba en condiciones dinámicas del material absorbente se obtuvo una capacidad de absorción promedio de 5,13 y 5,30 g de hidrocarburo-agua/g absorbente para diésel y crudo respectivamente, en el rango esperado de 4,9 – 5,9 g de hidrocarburo-agua/g absorbente para este tipo de material [15]. Durante la prueba en condiciones dinámicas se observó la tendencia a hundirse las bolsas con material absorbente, por lo que durante su empleo se requiere sujeción. Esto infiere que se debe tener en cuenta que no es recomendable utilizar los materiales absorbentes tipo II a granel en agua, dado que existe la posibilidad de hundimiento del producto.
CONCLUSIONES
Las capacidades de absorción del Bagazo modificado (BM), permiten contar en nuestro país con un producto propio para su aplicación ante la ocurrencia de un derrame de hidrocarburos en aguas y suelo, con el consiguiente impacto ambiental. La capacidad de sorción promedio obtenida sobre diésel y crudo para el material propuesto es similar a la reportada para algunos productos comerciales, tanto en condiciones estáticas como dinámicas. El material evaluado presenta cierta hidrofilicidad y puede absorber tanto hidrocarburos como agua.
]]> REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Recibido: 16/11/2017
Aceptado: 8/01/2018
Dr.C Miguel Ángel Díaz-Díaz, Centro de Investigación del Petróleo, La Habana, Cuba, michael@ceinpet.cupet.cu
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