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PRECIPITACIÓN DE AMONIO EN LIXIVIADOS DE RELLENO SANITARIO
EMPLEANDO ÓXIDO DE MAGNESIO
JHON PUERRES
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍAS
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CALI, COLOMBIA
2015
ii
PRECIPITACIÓN DE AMONIO EN LIXIVIADOS DE RELLENO SANITARIO
EMPLEANDO ÓXIDO DE MAGNESIO
JHON PUERRES
Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero Químico
Director: Ing. Nilson Marriaga, Ph.D.
Codirectora: Ing. Diana Cobo
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍAS
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CALI, COLOMBIA
2015
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AGRADECIMIENTOS
Gracias a Dios por sus infinitas bendiciones.
Gracias a toda mi familia y en especial a mi madre por su lucha incansable, su amor
incondicional y su maravilloso ejemplo, a mi padre por todos sus consejos, cariño y constante
apoyo, a mis abuelos por su enorme dulzura y a mi hermana por estar siempre presente.
Gracias a aquellos que se convirtieron en mis compañeros y amigos en el transcurso de la
carrera, a Sebas por su incondicionalidad, a Andre, Aleja, Lili, Yaz, Pao, Kathe, Zulen, Sile,
Eider, Nelson y Sabel por su camaradería y los buenos momentos vividos.
Gracias a mi director de tesis Nilson Marriaga y a mi codirectora Diana Cobo por sus
enseñanzas, consejos y acompañamiento continúo durante este proyecto.
Gracias a Eider Erazo por su enorme ayuda en el trabajo de laboratorio y a Gloria Lasso, Nhora
Suaterna y Dayanna Donneys por su disposición y colaboración.
iv
RESUMEN
El lixiviado es el principal efluente líquido de los rellenos sanitarios y es capaz de producir
graves afectaciones en su entorno por su contenido de contaminantes. Uno de ellos es el amonio
que puede conducir a la eutrofización de las aguas.
Por medio del presente estudio se evaluó la precipitación de amonio en un lixiviado procedente
del relleno sanitario San Bernardo (Nariño) empleando MgO y H3PO4; para esto se varió la
temperatura, la relación molar de iones (Mg2+:NH4+:PO4
3-) y el pH. Se realizó una curva de
variación del Mg2+ disuelto respecto al tiempo para fijar un periodo conveniente de disolución
del MgO en H3PO4 como una etapa previa al proceso de precipitación (cristalización).
La variable de respuesta durante las cristalizaciones fue el contenido de amonio en los
sobrenadantes, también se llevó registro de la turbidez y el color real. Se logró una reducción
del 83.4 % en el contenido de amonio acompañada de disminuciones del 81% y 25% para la
turbidez y el color, respectivamente.
Palabras claves: Disolución, cristalización, estruvita, lixiviado.
v
CONTENIDO
pág.
1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………….10
2. MARCO TEÓRICO………………………………………………………………………...12
2.1 ANTECEDENTES……………………………………………………………………..12
2.2 MARCO CONCEPTUAL……………………………………………………………...14
2.2.1 Disolución de MgO……………………………………………………………….14
2.2.2 Formación y precipitación de estruvita…………………………………………...15
2.3 PARÁMETROS QUE AFECTAN LA PRECIPITACIÓN DE AMONIO……...16
2.3.1 Efecto del pH………………………………………………………………….16
2.3.2 Efecto de la temperatura………………………………………………………….17
2.3.3 Efecto de los sólidos suspendidos………………………………………………...18
2.3.4 Efecto de la composición química………………………………………………..18
3. METODOLOGÍA…………………………………………………………………………..19
3.1 DISOLUCIÓN DE MgO EN H3PO4………………………………..………….....19
3.2 PRECIPITACIÓN……………………………………………………………............20
3.3 CARACTERIZACIÓN DEL LIXIVIADO Y DE LOS SOBRENADANTES
OBTENIDOS DURANTE LOS ENSAYOS………………………………….............21
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS……………………………………………………………..23
4.1 DISOLUCIÓN DE MgO EN H3PO4…………………………………………………...23
4.2 CARACTERIZACIÓN DEL LIXIVIADO………………………………………....….26
4.3 PRECIPITACIÓN...………………………………………………………………........27
. 4.3.1 Resultados………………………………………………………………………...27
. 4.3.2 Pruebas de supuestos…………………………………………………………......27
. 4.3.3 Análisis de resultados…………………………………………………………….30
5. CONCLUSIONES……………………………………………………………………….....35
vi
CONTENIDO (Continuación)
pág.
6. RECOMENDACIONES………………………………………………………...……....36
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………......37
ANEXOS……………………………………………………………………………...........40
vii
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Condiciones de operación para la disolución de MgO en H3PO4…………………....19
Tabla 2. Condiciones de operación para la etapa de precipitación...…………………………..21
Tabla 3. Efecto del pH en la disolución de MgO……………………………………………...23
Tabla 4. Caracterización del lixiviado………………………………………………………....26
Tabla 5. Disminución de amonio, turbidez y color real en las precipitaciones...…………….....27
viii
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Producto de solubilidad condicional y fracciones de ionización para la estruvita…...16
Figura 2. Curva de disolución de MgO en H3PO4 con respecto al tiempo a pH 1…………......25
Figura 3. Gráfica de probabilidad de residuales normal……………………………………….28
Figura 4. Gráfica de residuos versus orden………………………………………………........29
Figura 5. Gráfica de residuos versus ajustes…………………………………………………...29
Figura 6. Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para la remoción de amonio………...30
Figura 7. Interacción entre la temperatura y la relación molar para la remoción de
amonio (%)………………………………………………………………………….31
Figura 8. Interacción entre el pH y la temperatura para la remoción de amonio (%)…………...32
Figura 9. Relleno sanitario San Bernardo (Nariño)…………………………………………….40
Figura 10. Tanque de recolección de los lixiviados del relleno………………………………40
Figura 11. Montaje de la disolución de MgO en H3PO4………………………………………..41
Figura 12. Montaje del proceso de precipitación.……………………………………………...41
ix
NOMENCLATURA
αi = fracción de ionización de la especie i, donde i puede ser Mg2+, PO4
3- o NH4+
CT,Mg = concentración analítica de magnesio (moles/l)
CT,NH3 = concentración analítica de nitrógeno amoniacal (moles/l)
CT,PO4 = concentración analítica de ortofosfatos (moles/l)
[Mg2+] = concentración molar de magnesio (moles/l)
[NH4+] = concentración molar de amonio (moles/l)
[PO43-] = concentración molar de fosfatos (moles/l)
Ps = producto de solubilidad condicional
T = temperatura (°C)
10
1. INTRODUCCIÓN
Depositar los residuos sólidos urbanos en rellenos sanitarios es una práctica usual a pesar de la
creciente concientización mundial sobre reducir, reusar y reciclar los materiales de uso frecuente
por el hombre; esto generalmente se debe a que la disposición en un relleno sanitario se ve como
la alternativa más económica para el manejo final de los residuos sin tomar en cuenta el costo
ambiental. Sin embargo, una vez que los residuos sólidos han sido depositados, es necesario
reducir los impactos de esta práctica ya que cuando entren en contacto con agua, los
componentes que originalmente estaban dentro del residuo son arrastrados dejando el agua
altamente contaminada, y con la posibilidad de contaminar a su vez aguas subterráneas,
superficiales y suelos. Por esta razón los rellenos se impermeabilizan y las aguas contaminadas
que se recogen (lixiviados), se deben tratar para reducir el impacto ambiental que puedan
generar.
El amonio en los lixiviados es una de las principales preocupaciones ya que puede conducir a la
eutrofización de las aguas; esto se genera cuando hay un aporte excesivo de nutrientes a un
ecosistema acuático, por lo que se desequilibra la biodiversidad y se reduce la cantidad de
oxígeno disuelto. La precipitación de estruvita (MgNH4PO4.6H2O) es una alternativa útil para
la remoción de amonio en lixiviados, dado que la sobresaturación combinada de iones de Mg2+,
NH4+ y PO4
3- permite vencer la solubilidad de la estruvita haciendo que ésta se precipite.
El proceso de precipitación de estruvita requiere de la adición de fuentes de iones de fósforo y
magnesio, pero las eficiencias de remoción de amonio pueden variar de acuerdo con las
características como la solubilidad de las fuentes de iones que se usen. El MgCl2 es la fuente de
Mg2+ más estudiada, pero se ha demostrado que el costo de producción de 1 kg de estruvita
disminuye hasta 8 veces al reemplazar el MgCl2 por MgO (Hug & Udert, 2013). Sin embargo,
no se han encontrado estudios sobre las condiciones que favorecen el uso del MgO en la
precipitación de amonio al realizar una etapa inicial de disolución.
11
El objetivo del presente estudio fue establecer la temperatura, la relación molar de iones
(Mg2+:NH4+:PO4
3-) y el pH que favorecen el uso del MgO en la precipitación de amonio en un
lixiviado procedente del relleno sanitario San Bernardo (Nariño), al acoplarla con una etapa de
disolución previa del MgO en H3PO4.
12
2. MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES
La precipitación de estruvita se consideró inicialmente como un problema en la operación de
plantas de tratamiento de aguas residuales y otros procesos en los que se producen altas
concentraciones de iones de amonio, fosfatos y magnesio debido a que su acumulación en
tuberías causa obstrucciones (Kochany & Lipczynska-Kochany, 2009). Hoy en día el proceso
de precipitación de estruvita tiene un gran interés, ya que se convirtió en un método eficiente
para la remoción de amonio de las aguas residuales, entre éstas los lixiviados procedentes de
rellenos sanitarios; además la estruvita puede emplearse como un fertilizante de liberación lenta
por lo que se convierte en una sustancia con una importante utilidad, que muestra buenas
cualidades en comparación con los fertilizantes tradicionales y presenta bajos contenidos de
metales pesados (El Diwani et al., 2007).
La remoción de amonio por medio de la precipitación de estruvita se afecta considerablemente
por factores como las fuentes de Mg2+ y PO43-, la relación molar entre Mg2+:NH4
+:PO43- durante
la cristalización, el pH, la temperatura, la secuencia de alimentación de los reactivos y las
características del lixiviado. Se han realizado estudios con los que se consiguieron eficiencias
superiores al 90% en remoción de amonio (Cervantes, 2009; He et al., 2007; Kim et al., 2007);
sin embargo, no es posible generalizar las condiciones de precipitación para todos los lixiviados
de los rellenos sanitarios, por lo que es necesario estudiar el proceso de remoción de amonio
para cada caso en particular.
El mayor obstáculo encontrado en la precipitación de estruvita es el costo de los iones necesarios
para balancear la relación molar entre Mg2+:NH4+:PO4
3-, por lo que se desea usar fuentes de
iones económicas. Sin embargo, en el caso del magnesio el MgCl2, es una de las fuentes más
estudiadas por su alta solubilidad ya que produce altas eficiencias de remoción de amonio en
13
tiempos cortos pero debido a su elevado costo (400 USD/ton), la aplicación del proceso se ve
limitada (Hug & Udert, 2013), otras fuentes empleadas son el MgCO3, MgSO4, MgO y la
dosificación electroquímica; siendo el MgO el más económico pero el que presenta menores
eficiencias (alrededor del 50 %) por su baja solubilidad (Cervantes, 2009).
En la investigación de He et al. (2007), la disminución del contenido de amonio se realizó con
el reúso de la estruvita como fuente de Mg2+ y PO43- después de ser sometida a descomposición
por calentamiento en condiciones alcalinas. Esto permitió que al tercer ciclo de reúso los costos
se disminuyeran alrededor de un 44 % con respecto a emplear nuevos reactivos. Sin embargo,
encontraron que a medida que se reusó la estruvita se redujo la eficiencia de remoción de amonio
y que a partir de un tercer ciclo ya no se apreciaban disminuciones en los costos debido a la
necesidad de emplear NaOH en el proceso de descomposición por calentamiento de la estruvita.
Sus reactivos de partida fueron MgCl2, NH4Cl, Na2HPO4.
En el caso de Kim et al. (2007), quienes estudiaron la secuencia de alimentación de los reactivos
y el efecto de agregar estruvita ya formada como semilla para mejorar la eficiencia en remoción
de amonio, encontraron que alimentar primero las fuentes de iones y después ajustar el pH, así
como también adicionar semillas conllevaron a mayores disminuciones en el contenido de
amonio. Sin embargo su estudio también parte del uso del MgCl2 como fuente de Mg2+ y entre
sus resultados registraron aumentos en la concentración de fosfatos residuales por la adición de
la estruvita.
Por otra parte, la disolución de óxidos por la acción de soluciones ácidas juega un papel
importante en una amplia variedad de procesos (Fedoročková & Raschman, 2008). En el caso
del MgO se han realizado estudios sobre su disolución en ácidos como el HCl, el HNO3 y el
H2SO4 encontrando que: la disolución del MgO es controlada por la reacción química del MgO
con los iones H+ en la interfase sólido-líquido, la transferencia de masa puede causar efectos en
el proceso dependiendo de las condiciones de disolución, y que el tipo de ácido no afecta el
orden de la reacción. También se reportaron las condiciones más favorables para la disolución
14
del MgO en cada estudio (Fedoročková & Raschman, 2008; P Raschman & Fedorockova, 2006;
Pavel Raschman & Fedoročková, 2004).
En la investigación de Fedoročková & Raschman (2008) encontraron que la velocidad de
disolución del MgO en HNO3, H2SO4 y HCl aumentó con respecto a los incrementos en la
temperatura (desde 25 °C hasta 60 °C) y en la concentración de los ácidos, no obstante, los
ensayos solo se realizaron para pH 2,3 y 4 (desde 10-4 M hasta 10-2 M ). En el caso de P
Raschman & Fedorockova (2006) evidenciaron el comportamiento de la disolución del MgO en
concentraciones de HCl desde 0.5 M hasta 5.1 M y observaron que a medida que se aumentó la
concentración, la velocidad de disolución disminuyó, sin embargo, no probaron este
comportamiento para otros ácidos.
2.2 MARCO CONCEPTUAL
2.2.1 Disolución de MgO. El proceso de disolución de MgO en ácidos diluidos puede ser
controlado por la reacción química superficial o por la transferencia de masa de los productos y
los reactivos en el medio acuoso (Fedoročková & Raschman, 2008). La evolución del proceso
involucra los siguientes pasos:
Difusión de los iones H+ desde el medio líquido a través de la película de interfase sólido-
líquido hasta la superficie de las partículas sólidas.
Reacción química superficial de acuerdo con la reacción:
𝑀𝑔𝑂(s) + 𝐻(ac)+ → 𝑀𝑔(ac)
2+ + 𝑂𝐻(ac)− (1)
Difusión de los productos de la reacción desde la interfase hacia el medio líquido.
15
2.2.2 Formación y precipitación de estruvita. La remoción de amonio por precipitación de
estruvita (MgNH4PO4.6H2O) que es un componente prácticamente insoluble (0.023 g/100 ml
de agua a 0 °C) (Li, Zhao, & Hao, 1999) se produce por medio de la siguiente reacción:
𝑀𝑔2+ + 𝑃𝑂43− + 𝑁𝐻4
+ + 6𝐻2𝑂 ↔ 𝑀𝑔𝑁𝐻4𝑃𝑂46𝐻2𝑂 (2)
La precipitación ocurre cuando la combinación de las concentraciones de iones Mg2+, NH4+ y
PO43- excede el límite de la solubilidad de la estruvita, es decir la solución llega a estar
sobresaturada. La cinética de la cristalización de estruvita se separa en dos etapas: la nucleación
y el crecimiento; en la etapa de nucleación los iones constituyentes se combinan para formar
embriones de cristal, esta etapa puede darse de manera espontánea conocida como nucleación
homogénea, o de manera inducida por la adición de los materiales adecuados (fuentes de iones)
llamada nucleación heterogénea. El tiempo de la nucleación más el de la aparición de los
cristales se denomina tiempo de inducción y es el parámetro que generalmente se usa para
controlar la formación de estruvita (Cervantes, 2009).
Ariyanto, Sen, & Ang (2014) reportaron que el tiempo de inducción es una medida de la
nucleación de la estruvita y que se disminuye con los aumentos de pH, temperatura y grado de
sobresaturación. Después de ese periodo, el crecimiento del cristal continúa hasta que se alcanza
el equilibrio, este tiempo es la segunda parte de la cinética de cristalización y se produce cuando
las agrupaciones o embriones se agregan así mismos al difundirse sobre el medio. El crecimiento
del cristal también depende de varios parámetros fisicoquímicos como el pH de la solución, el
grado de sobresaturación, el tamaño de los cristales, la temperatura, la presencia de impurezas,
así como también de la agitación. Sin embargo, la magnitud apropiada de cada parámetro
fisicoquímico del proceso varía de acuerdo con el origen de las aguas residuales.
16
2.3 PARÁMETROS QUE AFECTAN LA PRECIPITACIÓN DE AMONIO
A continuación se describen los efectos que causa cada parámetro involucrado en la etapa de
precipitación de amonio en forma de estruvita.
2.3.1 Efecto del pH. El pH es el parámetro más crítico para realizar una efectiva precipitación
de estruvita y debe determinarse para cada tipo de agua residual ya que depende de las
características que ésta tenga. Cervantes (2009) reportó el efecto del pH en el producto de
solubilidad condicional de la estruvita y la fracción de ionización para cada ion a partir de
cálculos de equilibrio a 25°C. Los resultados se muestran en la figura 1 y son respaldados por
estudios experimentales como los de Chen et al. (2015); Huang, Xiao, & Yan (2009).
Figura 1. Producto de solubilidad condicional y fracciones de ionización para la estruvita
(Cervantes, 2009)
Donde αi es la fracción de ionización de cada especie y Ps es el producto de solubilidad
condicional que se definen así:
∝Mg2+=[𝑀𝑔2+]
𝐶T,Mg (3)
17
∝PO43−=
[𝑃𝑂43−]
𝐶T,PO4
(4)
∝NH4+=
[𝑁𝐻4+]
𝐶T,NH3
(5)
𝑃𝑠 = 𝐶T,Mg ∗ 𝐶T,NH3∗ 𝐶T,PO4
(6)
Las concentraciones molares de las especies ionizadas se representan como [Mg2+], [NH4+] y
[PO43-], y el total de las concentraciones analíticas como CT,Mg, CT,NH3 y CT,PO4 para el magnesio,
el nitrógeno amoniacal y los ortofosfatos, respectivamente.
Los resultados presentados en la figura 1 muestran que la concentración del ion amonio
disminuye en función del equilibrio con amoniaco (NH3), la concentración del ion PO43-
incrementa por el aumento de la fracción de ortofosfatos totales (PO4-P), presentes como PO43-
y la concentración de Mg2+ disminuye desde la formación de MgOH+ como resultado de la
hidrólisis del Mg2+ a altos valores de pH (superiores a 8).
2.3.2 Efecto de la temperatura. La solubilidad de la estruvita aumenta con la temperatura hasta
llegar a un tope en donde el comportamiento se invierte y la solubilidad empieza a decrecer
continuamente. Sin embargo, la temperatura para la solubilidad máxima de la estruvita depende
del medio de disolución. Borgerding (1972) reportó una temperatura de 20°C para el agua y
Aage et al. (1997) reportaron una temperatura de 50°C para una solución ácida de HCl en la que
se agregó estruvita obtenida a partir de Na2HPO4, NH3(ac), y MgO disuelto en ácido cítrico.
La temperatura efectiva para una apropiada remoción de amonio, es decir, para conseguir la
mínima solubilidad de la estruvita ha sido reportada para diferentes aguas residuales. Para
lixiviados de un relleno sanitario estabilizado He et al. (2007) reportaron un valor de 90°C con
el que lograron una remoción del 96% de amonio en un lixiviado con 2 577 mg/L de NH4+.
18
2.3.3 Efecto de los sólidos suspendidos. La presencia de altos contenidos de sólidos
suspendidos reduce la eficiencia en la remoción de amonio, además, se disminuyen la pureza y
el valor de la estruvita como fertilizante. En el caso de un lixiviado de relleno sanitario, un
incremento de 320 mg/L a 3 600 mg/L de sólidos suspendidos totales puede reducir de 98% a
78% la eficiencia de remoción de amonio (Cervantes, 2009)
2.3.4 Efecto de la composición química. La relación molar entre los iones constituyentes de la
estruvita Mg2+:NH4+:PO4
3- y la presencia de otros iones como Ca2+ y K+ afectan negativamente
la eficiencia de remoción de amonio; además, las fuentes de donde se obtienen los iones para
alcanzar la sobresaturación necesaria para la precipitación de estruvita, deben ser fácilmente
solubles en el medio de cristalización. Le Corre et al. (2005) reportaron que la presencia de
iones Ca2+ disminuye el tamaño de los cristales y se inhibe la formación de la estruvita, esto se
debe a la competencia de los iones Ca2+ por los fosfatos para producir sólidos como
CaHPO4.H2O (brushita), CaHPO4 (monetita), Ca3(PO4)2.H2O (fosfato de calcio amorfo) o
cristales como Ca5(PO4)3OH (hidroxiapatita) y Ca3(PO4)2 (whitlockita). Los iones K+ también
disminuyen la eficiencia de remoción de amonio ya que pueden reemplazar el NH4+ para formar
KMgPO4.6H2O (K-estruvita).
19
3. METODOLOGÍA
Los procedimientos que se emplearon en la investigación de remoción de amonio en el lixiviado
del relleno sanitario San Bernardo se presentan a continuación para cada etapa del estudio.
3.1 DISOLUCIÓN DE MgO EN H3PO4
Se realizaron pruebas de disolución de MgO en H3PO4 con el fin de encontrar el pH que
permitiera obtener la mayor cantidad disuelta de Mg2+ a las condiciones que se registran en la
tabla 1. Con el valor del pH encontrado se realizó una curva de disolución de MgO con respecto
al tiempo; para lo cual se tomó una alícuota cada 15 minutos durante una hora y una muestra de
referencia para las correcciones por el método de medición.
Tabla 1. Condiciones de operación para la disolución de MgO en H3PO4
Parámetro Valor Referencia
Temperatura (°C) 60 (Fedoročková &
Raschman,
2008) pH 1
2
3
Agitación (rpm) 300 _
En cada prueba se ajustó pH con H3PO4 hasta llegar a los valores de interés en agua filtrada, se
calentó por medio de un baño maría hasta 60 °C y se mantuvo la temperatura constante durante
el ensayo. Los reactivos que se usaron fueron H3PO4 al 85 % p/p marca Genquímicos y MgO
20
grado analítico marca Fisher Scientific. Para cada experimento se emplearon 2.21 g de MgO en
250 ml de solución ácida.
Las mediciones de Mg2+ disuelto se realizaron por medio de absorción atómica en el equipo
iCE™ 3300 AAS marca Thermo Scientific. Para la validación del procedimiento se prepararon
soluciones patrón a distintas concentraciones a partir de MgSO4.7H2O grado analítico marca
Fisher Scientific, el máximo error de medición entre los valores teóricos y experimentales fue
del 3%.
Todos los porcentajes de Mg2+ disuelto se calcularon a partir de la comparación de la cantidad
de Mg2+ medida por absorción atómica y la cantidad de Mg2+ máxima esperada, es decir como
si la totalidad del MgO agregado se hubiese disuelto.
3.2 PRECIPITACIÓN
En esta etapa se prepararon 30 ml de la disolución de MgO en H3PO4 al pH y el tiempo
encontrados como más convenientes en el estudio previo; simultáneamente se calentó el
lixiviado a la temperatura de interés por medio de un baño maría. Una vez alcanzada la
temperatura deseada en el lixiviado se agregó la disolución de MgO en H3PO4 y se mantuvo una
agitación constante de 300 rpm durante 15 minutos, al terminar este tiempo se ajustó con NaOH
6 N al pH de estudio y se detuvo la agitación para permitir la precipitación de los cristales
formados, a los 15 minutos se tomaron aproximadamente 50 ml de sobrenadante para la
medición del contenido de amonio, la turbidez y el color.
Las condiciones de las precipitaciones realizadas se presentan en la tabla 2; las dos relaciones
molares evaluadas de Mg2+:NH4+:PO4
3- se lograron variando el volumen del lixiviado que se
empleó de tal forma que se tomaron 100 ml y 72 ml de lixiviado para las relaciones 1:1:1.7 y
1.4:1:2.4, respectivamente.
21
Tabla 2. Condiciones de operación para la etapa de precipitación
Parámetro Valor Referencia
Tiempo de agitación (min) 15 (Li & Zhao, 2001)
Tiempo de precipitación (min) 15
Temperatura (°C) 60 (Cervantes, 2009)
80
Relación molar Mg2+:NH4+:PO4
3- 1:1:1.7 _
1.4:1:2.4
pH 8.8 (Cervantes, 2009)
9.2
En total se realizaron 16 pruebas experimentales correspondientes a un diseño factorial
completo con dos niveles, tres factores y 1 réplica. Los análisis de resultados se efectuaron con
la ayuda del paquete estadístico Minitab 17.
3.3 CARACTERIZACIÓN DEL LIXIVIADO Y DE LOS SOBRENADANTES
OBTENIDOS DURANTE LOS ENSAYOS
El contenido de amonio, la turbidez y el color se midieron en el lixiviado y en los sobrenadantes
resultantes de las precipitaciones, El lixiviado se obtuvo de forma puntual en época de verano
en el relleno sanitario de San Bernardo (Nariño) que cuenta con más de 10 años de
funcionamiento. Las mediciones de amonio, turbidez y color se hicieron según los
procedimientos descritos por Eaton et al. (2005), para el caso de la turbidez se empleó un
turbidímetro (2100N turbidimeter de Hach) y para el color un espectrofotómetro visible
(Genesys 10vis de Thermo Scientific) a una longitud de onda de 340 nm (Oloibiri et al. 2015).
La validación del procedimiento de medición de amonio se efectuó por la comparación entre las
concentraciones teóricas y concentraciones experimentales resultantes de soluciones patrón
preparadas a partir de NH4H2PO4 y (NH4)2SO4 de grado analítico con las que se obtuvo un error
22
máximo del 1 %. Para las pruebas experimentales antes de la medición de amonio se filtraron
10 ml del sobrenadante de cada ensayo sobre membranas de 0.45 µm (He et al. 2007), esto con
el fin de evitar que los cristales suspendidos se convirtieran en interferencias, adicionalmente se
lavó el filtro con 25 ml de agua destilada para evitar pérdidas y se aforó hasta 50 ml.
Los cálculos de equilibrio entre NH3 y NH4+ se hicieron de acuerdo con la Ec. (7) y la Ec. (8)
reportadas por Körner, Das, Veenstra, & Vermaat (2001) en donde T se tomó como 25°C.
𝑝𝐾𝑎 =0.09108+2729.92
(273.2+𝑇) (7)
𝑁𝐻3(%) =100
(1+10(𝑝𝐾𝑎−𝑝𝐻)) (8)
23
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Los resultados obtenidos en las pruebas experimentales se presentan a continuación para cada
etapa implementada en el estudio de la remoción de amonio del lixiviado.
4.1 DISOLUCIÓN DE MgO EN H3PO4
Se encontró que la cantidad de Mg2+ disuelto disminuyó con el aumento de 1 a 2 en el pH de
disolución, y a pH 3 la cantidad de Mg2+ se reestableció en cierta medida, tal como se presenta
en la tabla 3.
Tabla 3. Efecto del pH en la disolución de MgO
pH inicial (disolución)
Mg2+ disuelto (%) pH final (disolución)
1 66.10 3.88
2 0.73 8.26
3 11.34 5.37
Se seleccionó a 1 como el pH más favorable para la disolución a las condiciones trabajadas. El
porcentaje de Mg2+ disuelto no siguió una tendencia clara en relación con el pH inicial de
disolución pero sí con el pH final. Lamentablemente no se encontraron estudios en donde se
utilizara MgO en H3PO4, ya que se ha dado mayor interés al HCl, HNO3 y H2SO4.
El comportamiento entre el pH 2 y 3 se puede explicar por el hecho de que el aumento en la
concentración del ácido en el medio conlleva a que la tasa de aparición del producto también
aumente y se logre alcanzar la saturación cerca de la partícula sólida formándose así una película
que disminuye la velocidad de disolución (Dönmez, Demir, & Laçin, 2009). En la Ec. 9 se
presenta al Mg(OH)2 como producto en soluciones saturadas, que puede ser el constituyente de
24
la película mencionada. Para el pH 1, la mayor cantidad de iones H+ posiblemente rompen la
película y se obtiene así una mayor cantidad de Mg2+ en forma disuelta.
Fedoročková & Raschman (2008) reportaron el efecto del pH en la disolución del MgO en
HNO3 diluido, la tendencia mostró un aumento significativo de la fracción disuelta de MgO a
medida que disminuyó el pH de 4 a 2. Sin embargo, Pavel Raschman & Fedoročková (2004)
evidenciaron que la fracción de MgO disuelto pero esta vez en HCl diluido decrece con el
aumento en la concentración del ácido, es decir con la disminución del pH desde 6 hasta -1; este
comportamiento se atribuyó a que por las condiciones del proceso se encuentran dentro de la
etapa inicial de disolución de MgO, en donde la velocidad de disolución aumenta rápidamente
a pesar de una disminución en la concentración de iones H+; esta etapa se caracteriza por estar
lejana de las condiciones de control por transferencia de masa.
Fruhwirth et al. (1985) reportaron la Ec. (9) como corrección por la formación de Mg(OH)2 en
soluciones saturadas; y la Ec. (10) cuando se lleva a cabo la disolución a un pH mayor a 7;
además, encontraron que la disolución de MgO en HCl aumentó al reducir el pH inicial de
disolución para valores menores a 5, para los cercanos a 5 el control de la velocidad de
disolución está dada por fenómenos de transferencia de masa, y para los superiores a 7, el
aumentar el pH permitió incrementar la velocidad de disolución.
𝑀𝑔(ac)2+ + 2𝑂𝐻(ac)
− → 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2(s) (9)
𝑀𝑔𝑂𝐻(ac)+ + 𝑂𝐻(ac)
− → 𝑀𝑔(ac)2+ + 2𝑂𝐻(ac)
− (10)
Los datos de investigaciones reportadas permiten sugerir que el presente estudio cayó dentro del
intervalo en donde se invierte el comportamiento de la disolución del MgO con respecto al pH,
esto ya que el rango de inversión solo se ha estudiado para el HCl y es posible que esté
desplazado por la interacción que puede darse entre los ortofosfatos procedentes del H3PO4 con
el Mg2+ para producir compuestos indeseados como los fosfatos de magnesio.
25
Adicionalmente se evidenció una disminución continua del contenido de Mg2+ disuelto a medida
que avanzó el tiempo (figura 2).
Figura 2. Curva de disolución de MgO en H3PO4 con respecto al tiempo a pH 1
Esto pudo atribuirse a la formación y precipitación de fosfatos de magnesio e hidróxido de
magnesio que generaron un decrecimiento en la concentración de Mg2+, ya que en el proceso de
disolución del MgO el pH aumentó.
Su et al. (2014) expusieron la Ec. (11) y la Ec. (12) para la formación de fosfatos de magnesio
que una vez precipitados difícilmente se vuelven a disolver. En su estudio encontraron que subir
el pH por encima de 8 a una solución preparada a partir de MgCl2 y NaH2PO4 beneficia la
formación de fosfatos de magnesio a temperatura ambiente.
𝐻𝑃𝑂4(ac)2− + 𝑀𝑔(ac)
2+ → 𝑀𝑔𝐻𝑃𝑂4(s) (11)
2𝑃𝑂4(ac)3− + 3𝑀𝑔(ac)
2+ → 𝑀𝑔3(𝑃𝑂4)2(s) (12)
50
55
60
65
70
75
0 10 20 30 40 50 60 70
Mg
2+
dis
uel
to (
%)
Tiempo (min)
26
En resumen, por medio del estudio de la disolución del MgO en H3PO4 se escogió al pH 1 y al
tiempo 0 min como las condiciones de trabajo a emplear en el acople con la etapa de
precipitación.
4.2 CARACTERIZACIÓN DEL LIXIVIADO
El lixiviado procedente del relleno sanitario San Bernardo (Nariño), presentó las características
consignadas en la tabla 4.
Tabla 4. Caracterización del lixiviado
Parámetro Valor
pH 7.49
Color (Pt/Co) 141
Turbidez (NTU) 150
Concentración NH4+ (ppm) 311.42
El parámetro de mayor interés fue la concentración de amonio que presentó un valor bajo
comparado con otros procedentes de rellenos sanitarios maduros que generalmente contienen
más de 1 000 ppm de amonio (Cervantes, 2009). Esto puede explicarse por la separación de
residuos orgánicos e inorgánicos que se realiza en el municipio de San Bernardo (Nariño), lugar
en donde se aprovechan los residuos orgánicos para compostaje y los inorgánicos se depositan
en el relleno municipal.
En el relleno San Bernardo actualmente los lixiviados son recirculados con el propósito de
disminuir la necesidad de almacenamiento; sin embargo no se le realizan tratamientos
adicionales para disminuir la carga de contaminantes.
27
4.3 PRECIPITACIÓN
Los resultados de la etapa de precipitación corresponden a las respuestas del diseño
experimental, por lo tanto, en esta sección inicialmente se presentan los resultados y la
validación de los supuestos del modelo del diseño de experimentos, esto para dar seguridad al
análisis de los datos obtenidos durante los ensayos.
4.3.1 Resultados. Los resultados de remoción de amonio, turbidez y color real obtenidos del
diseño de experimentos se presentan en la tabla 5.
Tabla 5. Disminución de amonio, turbidez y color real en las precipitaciones
Prueba T (°C) pH Relación molar
Mg2+:NH4+:PO4
3-
Remoción de
amonio (%)
Reducción
de turbidez
(%)
Reducción
de color
(%)
1 60 8.8 1:1:1.7 68.14 ± 0.05 56 ± 3 31 ± 2
2 60 9.2 1:1:1.7 72 ± 2 59 ± 2 43 ± 2
3 60 8.8 1.4:1:2.4 64.6 ± 0.7 68 ± 2 45 ± 4
4 60 9.2 1.4:1:2.4 63.1 ± 0.7 68 ± 3 46 ± 1
5 80 8.8 1:1:1.7 70.78 ± 0.05 70 ± 3 23 ± 4
6 80 9.2 1:1:1.7 83.4 ± 0.7 81.0 ±0.3 25 ± 5
7 80 8.8 1.4:1:2.4 58 ± 1 55.0 ± 0.3 28 ± 1
8 80 9.2 1.4:1:2.4 70.4 ± 0.7 68 ± 5 30 ± 2
Las condiciones de la prueba 6 permitieron obtener la mayor remoción de amonio (83.4 %),
acompañada de un 81 % y un 25 % en reducciones de turbidez y color, respectivamente.
4.3.2 Pruebas de supuestos. Se determinó si los datos experimentales cumplían con los
supuestos del modelo de un diseño experimental con tres factores, es decir que los errores
(diferencias entre los valores experimentales y los calculados por el modelo), estuviesen
normalmente distribuidos, fueran independientes y tuviesen una varianza constante.
28
Se obtuvo un R2 del 98.00% a partir del análisis con el paquete estadístico Minitab 17, La
magnitud del R2 indicó un buen ajuste del modelo del diseño experimental a los datos obtenidos
en el laboratorio.
A continuación se presentan todas las gráficas de los residuales (errores) y sus correspondientes
análisis para la verificación de los supuestos del modelo.
Figura 3. Gráfica de probabilidad de residuales normal
En la figura 3 se observa que los puntos forman una línea recta que indica que los residuos se
distribuyen normalmente; además el valor p es mayor a 0.05 por lo que no se encontró evidencia
estadística suficiente para rechazar la hipótesis nula de la existencia de una distribución normal.
29
Figura 4. Grafica de residuos versus orden
Los residuos en el orden en el que se colectaron los datos se presentan en la figura 4, debido a
que los residuos no mostraron un patrón evidente se aceptó el supuesto de independencia de
efectos relacionados con el tiempo.
Figura 5. Gráfica de residuos versus ajustes
30
La homogeneidad de varianzas se demostró por medio de la figura 5 ya que no se apreciaron
predominancias de residuos positivos o negativos, patrones como residuos crecientes con ajustes
crecientes, y además no hubo puntos que se encontraran lejos de la mayoría de los puntos y que
pudiesen ser valores atípicos.
4.3.3 Análisis de resultados. Se realizó el diagrama de Pareto para evaluar cuales factores e
interacciones tenían un aporte significativo en la reducción de amonio, el análisis se efectuó con
un nivel de significancia α=0.05.
Figura 6. Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para la remoción de amonio
A partir del diagrama de Pareto se encontró que los tres factores estudiados (pH, temperatura y
relación molar), tuvieron un efecto significativo en la remoción de amonio; además se evidenció
la existencia de interacciones importantes del pH con la temperatura y de la temperatura con la
relación molar.
31
A continuación se presentan las gráficas de interacción significativa entre factores; las gráficas
de los efectos principales no se incluyeron ya que resulta de mayor interés observar el
comportamiento del efecto de una variable respecto a la modificación o presencia de otra.
Figura 7. Interacción entre la temperatura y la relación molar para la remoción de
amonio (%)
La relación molar 1:1:1.7 tuvo un efecto ascendente en la remoción de amonio a medida que
incrementó la temperatura de 60°C a 80°C; en el caso de la relación molar 1.4:1:2.4 no se apreció
una variación significativa de su efecto sobre la disminución de amonio con el aumento de la
temperatura (figura 7).
La relación molar 1.4:1:2.4 que representó un exceso del 40% sobre la relación molar 1:1:1.7
resultó en una menor disminución de amonio, posiblemente porque con el exceso se bajó más
el pH del medio de cristalización y se necesitó una mayor cantidad de NaOH para ajustar al pH
requerido lo que se pudo convertir en una interferencia por la formación de fosfatos de sodio
(Doyle & Parsons, 2002), aproximadamente se usó 0.3 ml de NaOH 6N para la relación molar
1:1:1.7 y 0.4 ml de NaOH 6N para la relación molar 1.4:1:2.4; además, al agregar la disolución
32
en exceso de MgO en H3PO4 se adicionaron más iones y partículas no disueltas que no solo
pudieron incrementar la turbidez sino que posiblemente interactuaron en el medio de
cristalización para formar compuestos no deseados causando una disminución en la remoción
de amonio. Gunay et al. (2008) manifestaron que agregar excesos a partir de cierto límite se
puede reflejar en el aumento del Mg2+ residual y en el decrecimiento de la concentración de
fosfatos.
Escudero et al. (2015) evidenciaron el efecto que causa la relación molar sobre la remoción de
amonio y encontraron que la relación molar más efectiva depende de la concentración inicial de
NH4+, de esta manera, a medida que la concentración de amonio en el lixiviado es más alta, se
requiere agregar un mayor exceso de Mg2+ y PO43- para alcanzar un mismo valor de amonio
remanente. Dado que el lixiviado objeto de estudio tenía una baja concentración de amonio, no
fue necesario el exceso de la relación molar 1.4:1:2.4, y por ende la mejor combinación para la
reducción del contenido de amonio resultó ser la relación molar 1:1:1.7 con una temperatura de
80°C.
Figura 8. Interacción entre el pH y la temperatura para la remoción de amonio (%)
33
El aumento del pH influyó positivamente sobre el efecto que tuvo la temperatura (figura 8); sin
embargo, la influencia del pH fue más notoria para el efecto de la temperatura a 80°C que a
60°C. La interacción entre el pH y la temperatura resultaron tan grandes que a pH 8.8 fue mejor
trabajar a 60°C; y a pH 9.2 el efecto de la temperatura de 80°C incrementó lo suficiente para
convertirse en el más favorable para la remoción de amonio.
Los resultados del pH y la temperatura están de acuerdo con la teoría, ya que evidenciaron que
a medida que se incrementó la temperatura o el pH se consiguieron mejores reducciones de
amonio, esto probablemente porque la solubilidad de la estruvita disminuyó; sin embargo, es
posible que no se haya alcanzado el punto de solubilidad mínima en relación con el pH. En el
caso de la temperatura, un incremento adicional puede conducir a pérdidas de amonio por
volatilización y no a reducciones por precipitación que es lo deseado.
El análisis general de resultados permitió concluir que las condiciones estudiadas más
favorables para la precipitación de amonio fueron: relación molar Mg2+:NH4+:PO4
3- = 1:1:1.7,
temperatura de 80°C y pH 9.2.
Durante el desarrollo de las pruebas también se llevó registro de la turbidez y el color; sin
embargo, las condiciones en las que se lograron las más altas remociones de amonio no
necesariamente estuvieron relacionadas con los mayores porcentajes de reducción de turbidez y
color (tabla 5). En todo caso para la turbidez se alcanzaron reducciones entre el 55 % y 81 %, y
para el color real reducciones entre el 23 % y 46 %, por lo que significaron una cierta mejora en
la disminución de contaminantes del lixiviado ya que la turbidez y el color también son
parámetros de medición de la calidad de las aguas.
La turbidez y el color que son causados principalmente por partículas suspendidas y coloidales
ya sea de origen orgánico o inorgánico, posiblemente se redujeron a causa del proceso de
cristalización de la estruvita. Esto debido a que el lixiviado pudo contener sustancias que se
convirtieron en impurezas para la cristalización y dado que consiguen adsorberse selectivamente
34
en determinadas superficies del cristal o incluso quedar incorporadas al volumen del mismo;
algunas de las partículas responsables de la turbidez y el color pudieron precipitar junto con la
estruvita (Costa, Grases, & Söhnel, 2000).
El acople de la etapa de precipitación con la disolución de MgO en H3PO4 permitió una buena
remoción de amonio (83.4%) partiendo de la concentración del lixiviado objeto de estudio, y no
se encontró la necesidad de emplear un exceso de MgO en el medio de cristalización como el
reportado por Cervantes (2009), quien manifestó que un exceso del 200% de MgO puede
alcanzar remociones de amonio entre el 80% y 90%.
35
5. CONCLUSIONES
Las condiciones que se establecieron como favorables para la remoción de amonio por el
proceso de precipitación de estruvita fueron: 80°C de temperatura, relación molar
(Mg2+:NH4+:PO4
3-) de 1:1:1.7 y pH 9.2, con las que se alcanzó una disminución del 83.4%
en el contenido de amonio del lixiviado. La relación molar y la temperatura presentaron una
interacción que permitió que al aumentar la temperatura se mostrara un efecto positivo sólo
en la relación molar 1:1:1.7, además, se evidenció que agregar excesos de Mg2+ y PO43- por
encima de esta relación molar, no mejoró la remoción de amonio. Otra interacción que se
encontró fue la del pH con la temperatura que provocó que al aumentar el pH se acrecentara
el efecto positivo de la temperatura.
Se lograron disminuciones en la turbidez entre el 55 % y el 81 %, y para el color entre el 23
% y el 46 %.
Se obtuvo como Mg2+ disuelto hasta un 69.7 % del total del magnesio agregado como MgO
a los 0 minutos de disolución, y se encontró que a medida que avanzó el tiempo, el contenido
de Mg2+ disminuyó continuamente debido a la posible formación de hidróxido de magnesio
y de fosfatos de magnesio.
36
6. RECOMENDACIONES
Para próximos estudios de disolución de MgO en H3PO4 se recomienda explorar un rango
más amplio de pH (desde 0.5 hasta 6), que permita comprender de mejor manera el
comportamiento de este proceso.
Con el ánimo de conseguir que todo el magnesio que se agregue al lixiviado ingrese como
Mg2+, sería útil evaluar el proceso de precipitación al agregar HCl a una disolución de MgO
en H3PO4.
Para futuras investigaciones sobre la remoción de amonio se recomienda evaluar el acople
de la precipitación con la disolución de MgO en H3PO4 en lixiviados con un contenido
mayor de NH4+ que el que se empleó en el presente estudio.
37
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40
ANEXOS
A continuación se presenta el registro fotográfico del proceso de investigación.
RECOLECCIÓN DEL LIXIVIADO
Figura 9. Relleno sanitario San Bernardo (Nariño)
Figura 10. Tanque de recolección de los lixiviados del relleno
41
Figura 11. Montaje de la disolución de MgO en H3PO4
Figura 12. Montaje del proceso de precipitación
