93320303
TRANSCRIPT
-
7/25/2019 93320303
1/7
Avances en Qumica
ISSN: 1856-5301
Universidad de los Andes
Venezuela
Romero Esquivel, Lus Guillermo; Vargas Camareno, Maricruz; Padilla Barrantes, Francisco
Desarrollo de la tecnologa de inmovilizacin: estabilizacin/solidificacin de desechos peligrosos en
Costa Rica. Estudio de caso en lodo de electrodeposicin.
Avances en Qumica, vol. 2, nm. 3, 2007, pp. 9-14
Universidad de los Andes
Mrida, Venezuela
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93320303
Cmo citar el artculo
Nmero completo
Ms informacin del artculo
Pgina de la revista en redalyc.org
Sistema de Informacin Cientfica
Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal
Proyecto acadmico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93320303http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=93320303http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=933&numero=8297http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93320303http://www.redalyc.org/revista.oa?id=933http://www.redalyc.org/http://www.redalyc.org/revista.oa?id=933http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93320303http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=933&numero=8297http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=93320303http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93320303http://www.redalyc.org/revista.oa?id=933 -
7/25/2019 93320303
2/7
www.saber.ula.ve/avancesenquimica
Avances en Qumica, 2(3), 9-14 (2007)
Artculo Cientfico
Desarrollo de la tecnologa de inmovilizacin: estabilizacin/solidificacin de
desechos peligrosos en Costa Rica. Estudio de caso en lodo de electrodeposicin.
Lus Guillermo Romero Esquivel*1 , Maricruz Vargas Camareno1, Francisco Padilla Barrantes2
(1) Centro de Investigacin en Proteccin Ambiental (CIPA) de la Escuela de Qumica del Instituto
Tecnolgico de Costa Rica (ITCR). (2) Escuela de Qumica de la Universidad Nacional (UNA).
Recibido: 17/11/2007 Revisado: 20/12/2007 Aceptado: 21/12/2007
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Resumen:
Como parte del desarrollo de la tecnologa de inmovilizacin: estabilizacin/solidificacin de desechos peligrosos seevalu la efectividad de tres tipos de materiales cementantes: cemento Prtland / carbonato de calcio (50/50 y75/25); y cemento Prtland/puzolana (80/20) para la inmovilizacin de un lodo proveniente del tratamiento del agua
residual del proceso de electrodeposicin de cromo y nquel sobre cobre. En el tratamiento del agua residual segenera principalmente un lodo compuesto por hidrxidos de los metales citados. Con el fin de determinar si el lodose puede disponer en un relleno sanitario se determin las Caractersticas Toxicas de Lixiviacin del lodo medianteel mtodo Toxicity Characteristic Leaching Procedure(TCLP), determinndose que los niveles de lixiviacin delnquel estn por encima de la norma. Se encontr que todos los cementos logran la inmovilizacin satisfactoria delnquel, pero la mezcla cemento Prtland/puzolana (80/20) presenta las mejores resistencias mecnicas para la
disposicin del material tratado en un relleno sanitario, por tanto es la mas recomendable para el tratamiento.Palabras clave: desechos peligrosos; lodos de metalmecnica; tratamiento de desechos; inmovilizacin;estabilizacin; solidificacin; cemento.
Abstract
Three different types of cement mixtures: Portland cement/calcium carbonate (50/50 and 75/25) and Portlandcement/pozolan (80/20); were used to immobilized an electroplating sludge. The Toxicity Characteristic Leaching
Procedure (TCLP) analysis of this sludge presented nickel contents above the requirements. It was found that, all thecements used successfully immobilized the metal. The Portland cement / pozolan mixture presented the bestmechanical resistance accordingly with the specifications of final disposal in a sanitary landfill. Keywords:hazardous wastes; electroplating sludge; hazardous waste treatment; immobilization; solidification; stabilization;cement.
Introduccin
En Costa Rica se estima en 40000 ton/ao la cantidad de
lodos industriales generados (la mayora contienen
sustancias qumicas orgnicas y metales pesados
peligrosos)1.Para dar un tratamiento y disposicin final a
este tipo de residuos se debe optar por alguna de lastecnologas disponibles para el tratamiento de desechos
peligrosos, entre las que destaca: descomposicin trmica,
fusin en plasma, inmovilizacin y relleno sanitario
controlado.
Todos los mtodos mencionados, excepto inmovilizacin,
requieren de una gran inversin inicial en la construccin
de la infraestructura requerida para llevar a cabo el
tratamiento. Por su parte, la inmovilizacin con materiales
cementantes requiere slo de una mezcladora de cemento
como infraestructura o equipo y se puede hacer el
tratamiento in situ, ex situ, en planta e incluso en planta
mvil. Esta tecnologa es aplicable al tratamiento
desechos txicos por sus niveles de metales pesados,
especies inorgnicas y recientemente ha sido utilizado
el tratamiento de algunas sustancias orgnicas2,3
El trmino general 'inmovilizacin' incluye mt
fsicos y qumicos tanto para solidificar como estabilizar los residuos
4.
La estabilizacin es un trmino general para desc
tcnicas o mtodos mediante los cuales los resi
peligrosos son convertidos en una forma ms esta
Normalmente esto se logra mediante la adicin
reactivos que mejoran el manejo y las caracters
fsicas del residuo, disminuyen la superficie a travs
cual se puede dar la liberacin de los contamina
reduce o limita la solubilidad de cualquier contamin
presente en el residuo y finalmente reduce la toxicida
los contaminantes5.
-
7/25/2019 93320303
3/7
Lus Romero, Maricruz Vargas, Francisco Padilla / Avances en Qumica, 2 (3), 9-14 (2007)10
La solidificacin se refiere a las tcnicas que inmovilizan
los residuos en una masa slida. Esta masa puede ser el
residuo original o el residuo previamente estabilizado4. La
adicin de reactivos facilita la solidificacin de dicha masa
con una mayor resistencia, menor compresibilidad y menor
permeabilidad del residuo5.
Un proceso eficaz de inmovilizacin es aqul donde los
potenciales agentes contaminantes son inmovilizados con
xito en una estructura de residuos estabilizados o
solidificados y aislados del medio ambiente, hacindolos
inadecuados para la lixiviacin4. Se debe entender por
lixiviacin como el proceso mediante el cual los
contaminantes se transfieren de una matriz estabilizada a
un medio lquido como el agua5.
El proceso de inmovilizacin es particularmente efectivo
en el tratamiento de lodos residuales contaminados conmetales pesados, provenientes de plantas de tratamiento de
lquidos electrolticos utilizados en la electrodeposicin de
metales. En este proceso se utiliza una corriente elctrica
para depositar una capa delgada de metal sobre la
superficie de un material conductor6.
El objetivo de este estudio fue identificar materiales de
origen local que se puedan utilizar en la inmovilizacin de
residuos peligrosos y desarrollar la experiencia necesaria
para utilizar la tecnologa de inmovilizacin. Para lograr
esto, se trabaj en la inmovilizacin de un lodo residual de
la planta de tratamiento de lquidos electrolticos de la
empresa de electrodeposicin, Prolex S. A. del ParqueIndustrial de Cartago, Costa Rica. Dicho lodo es
potencialmente peligroso por su contenido de nquel,
cromo y cobre. La tecnologa de inmovilizacin se ensay
con el lodo de la empresa y diferentes tipos de materiales
cementantes.
Materiales y Mtodos
Con el fin de estimar si el lodo se puede disponer en un
relleno sanitario se determin las Caractersticas Txicas
de Lixiviacin del lodo mediante el mtodo Toxicity
Characteristic Leaching Procedure(TCLP) de la Agencia
de Proteccin Ambiental de Estados Unidos, EPA7. Esteprocedimiento consisti en poner el lodo en contacto con
una disolucin compuesta de 5,7 ml de acido actico
glacial por litro de agua destilada y 64,3 ml de hidrxido
de sodio 1 mol L-1
. El pH de esta disolucin fue de 4,93
0,05. Las mezclas, muestras de lodo en contacto con esta
disolucin (en una relacin slido lquido de 20:1), fueron
colocadas en un agitador rotatorio por 18 horas7. Al cabo
de este periodo de tiempo se realiz la filtracin de las
mezclas y se analiz el contenido de cobre, cromo y nquel
en el lquido obtenido (lixiviado). Los metales se
analizaron de acuerdo con los mtodos del Standard
Methods for the Examination of Water and Wastew
utilizando un espectrofotmetro de absorcin at
Perkin Elmer modelo Optima 3300 de llama con det
de rejilla de difraccin marca y lmpara de ctodo hu
Al aplicar el mtodo de TCLP a cinco muestras de lod
determin un coeficiente de variacin del 3% par
nquel, 4% para el cobre y del 7% para el cromo.
Posteriormente se realizaron mezclas del lodo
diferentes materiales cementantes: cemento Prt
carbonato de calcio (50/50 y 75/25); y cem
Prtland/puzolana (80/20). Con estas mezclas se realiz
bloques que se dejaron fraguar por 28 das, al cabo d
cuales, se determin su resistencia mecnica, tod
anterior siguiendo las normas ASTM C-109, C-305
2309.
El material ya fraguado (28 das), fue somenuevamente al ensayo TCLP descrito con anterioridad
este caso se utiliz una disolucin compuesta de 5,7 m
cido actico glacial por litro de agua destilada con u
de 2,88 0,05. Posteriormente, en el lixiviado
analizado el contenido de nquel siguiendo el mtod
Standard Methods for the Examination of Water
Wastewater8utilizando un espectrofotmetro de absor
atmica con las caractersticas mencionadas arriba. En
caso se analiz solamente nquel porque es el nico m
presente en el lodo que supera la norma para este tip
ensayo.
Tanto en el lodo, como en las mezclas lodo/cementonecesario determinar el pH con el fin de determinar
disolucin extractiva utilizar al aplicar el metodo TCL
procedimiento7 consisti en pesar 5,00 g de materi
adicionarle 96,50 ml de agua destilada. Esto se agit p
min, y se midi el pH. Si el valor de pH fue menor a
utiliz la disolucin nmero 1, que es la disoucin d
4,93 0,05 utilizada en el caso del lodo. Si el valor d
fue mayor a 5, se agreg 3,50 ml de acido clorhd
0,1mol L-1y se agit por 10 minutos a una temperatu
50 C. Se dej enfriar y se midi nuevamente el pH. Si
fue menor a 5 se utiliz la disolucin nmero 1, pero
mayor a 5 se emple la disolucin nmero 2, la cual e
pH 2,88 0,05, utilizada en el caso de las me
cemento /lodo una vez fraguadas.
Finalmente, las muestras fraguadas tambin fu
sometidas a la determinacin del pH del poro utilizan
metodo 9045D de la Agencia de Proteccin Ambient
Estados Unidos, EPA10
. Este procedimiento cons
bsicamente en pesar 10 g del desecho, y adicionar 20
de una disolucin de cloruro de calcio 0,01M. Se
eventualmente por 30 minutos y se filtr la muest
determin el pH. En todas las determinaciones de
realizadas se utiliz un electrodo de vidrio.
-
7/25/2019 93320303
4/7
Lus Romero, Maricruz Vargas, Francisco Padilla / Avances en Qumica, 2 (3), 9-14 (2007)
Resultados y discusin
Al realizar el ensayo de TLCP en el lodo de la empresa
Prolex S.A. se determin que el mismo supera la norma
nacional11
en cuanto a la concentracin de nquel, tal comose puede observar en el cuadro 1. Para el caso del cromo la
concentracin en el lixiviado est muy por debajo de la
regulacin nacional11y el cobre no esta regulado. En vista
de lo anterior al realizar el ensayo TCLP de los
especimenes lodo/cemento una vez fraguados solamente se
determin la efectividad de la inmovilizacin mediante el
anlisis de nquel en el lixiviado.
En el cuadro 2 se observan los datos del metal de inters
(nquel) en el lixiviado del lodo tratado con los diferentes
tipos de cemento. Para todos los sistemas de cemento
utilizado, se encontr una disminucin en el contenido del
metal en el lixiviado, incluso utilizando 6 partes de lodopor cada 4 partes de material cementante. Dicha
disminucin se puede deber a las siguientes tres razones:
I.- Como se observa en el cuadro 2 el pH en el poro d
mezclas ya solidificadas esta alrededor de 11 y
unidades. En este intervalo de pH, segn se puede obs
en la figura 1, el nquel presenta una solubilidad e
rango de 10-8a 10-7mol por litro debido a la formaci
hidrxidos metlicos12. Conforme aumenta el pH
solubilidad de los hidrxidos de nquel aumenta h
valores de pH en el poro de alrededor de 10-5
a 10-4
pH de 12,5 a 13,5. Estos valores de pH tan elevados
los que presenta el cemento Prtland endurecido. Por
razn el objetivo al utilizar mezclas de cemento Prt
carbonato y cemento Prtland-puzolana es obtener un
de la solucin en el poro inferiores a 12,5 y de esta fo
alcanzar una disminucin en la solubilidad12. En
sentido los materiales puzolnicos son adecuados po
reaccionan con el hidrxido de calcio liberado duran
proceso de hidratacin del cemento Prtland, bajandpH3,5. Por su parte, el carbonato de calcio es aprop
porque disminuye el pH inicial del sistema y por tan
da una disminucin en la lixiviacin de metales pesado
Cuadro 1: Constituyentes inorgnicos de inters presentes en el lixiviado del lodo sin tratar y los valores de la norma Nacional11.
Concentracin del metal (mg L-1)Metal
Norma Lodo Desviacin estndar (b)
Nquel
5,0
31
1
Cromo 5,0 0,15 0,01
Cobre N.R. (a) 18,3 0,8
(a)El cobre no se encuentra regulado; (b)Desviacin estndar de cinco determinaciones.
Cuadro 2: Concentracin de nquel en el lixiviado y pH en el poro de la muestra solidificada de lodo tratado con diferentes tipos d
cemento.
Tipo de cemento
ProporcionesPrtland/carbonato 50/50 Prtland/carbonato 75/25
Prtland/puzolana80/20
Cemento Lodo Concentracin
Ni (mg L-1)
pH
0,01
Concetracin Ni (mg L-1
)
pH
0,01
Concetracin
Ni (mg L-1)
pH
0,01
10 0
-
7/25/2019 93320303
5/7
Lus Romero, Maricruz Vargas, Francisco Padilla / Avances en Qumica, 2 (3), 9-14 (2007)12
Figura 1: Solubilidad de algunos metales en funcin del pH12.
II.- las interacciones qumicas entre los silicatos clcicos
hidratados del cemento y los contaminates13
. El cemento
Prtland convencional consiste de cuatro fases: alita
(Ca3SiO5, 50-70% m/m), belita (Ca2SiO4, 15-30% m/m),
fase de aluminato (Ca3Al2O6, 5-10% m/m), y ferrita
(Ca2AlFeO5, 5-15% m/m. Estas fases reaccionan con elagua, de acuerdo al mecanismo que se indica a
continuaciun13:
2(3CaO SiO2) + 6H2O3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2 (1)
2(2CaOSiO2) + 4H2O3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 (2)
3CaO Al2O3+ 6H2 O3CaOAl2O36H2O (3)
4CaO Al2O3Fe2O3+ CaSO4 2H2O + Ca(OH)2
3CaO(Al2O3, Fe2O3)3CaSO4 (aq) (4)
Los silicatos clcicos hidratados 3CaO2SiO2 3H2O (en
adelante C-S-H), es el producto de las reacciones (1) y (2).Estos silicatos son las fases que contribuyen
significativamente a la matriz cementosa y a la
estabilizacin qumica. C-S-H es un material coloidal
micro poroso con una alta rea superficial de 100 a 700
m2/g, dependiendo de la tcnica de medicin usada13. La
estructura de C-S-H es regular, semejante a la estructura de
la arcilla (ver figura 2); y se ha encontrado que presenta
propiedades de intercambio de cationes y de adsorcin de
iones. Se ha propuesto13
que el mecanismo para la
inmovilizacin de un in metlico (M) por C-S-H puede
ser a travs de reacciones de adicin o de substitucin:
(a) Inmovilizacin por reacciones de adicin:
C-S-H + M M-C-S-H
(b) Inmovilizacin por reacciones de substitucin:
C-S-H + M
M-C-S-H + Ca2+
(c) Evidencia proveniente de difraccin de rayos x tam
indica la posible formacin de nuevos compuestos,
podran inmovilizar metales.
III.- La gran rea superficial de C-S-H puede adso
fsicamente una gran cantidad de cationes, en alg
casos la adsorcin fsica puede incluso ser mayor qu
enlace qumico12.
Como se mencion anteriormente el nquel
efectivamente estabilizado o retenido. Un mat
inmovilizado, adems de la capacidad de retener
contaminantes, debe cumplir con requisitos de resistemecnica a la compresin para disponerse adecuadam
en un relleno sanitario. La norma de la US
recomienda un valor de 0.35MPa (3.51kg cm-2
)4. E
cuadro 3 se observa que ambos cementos con carbona
calcio presentan una resistencia mecnica acep
solamente en el caso de las mezclas 7/3 cemento/l
Para el caso del cemento con materiales puzolnicos t
las mezclas presentan valores de resistencia mec
apropiadas a excepcin de la mezcla 4/6 de cemento/l
Es de esperar valores de resistencia mayores al
cemento con adiciones puzolnicas porque este tip
-
7/25/2019 93320303
6/7
Lus Romero, Maricruz Vargas, Francisco Padilla / Avances en Qumica, 2 (3), 9-14 (2007)
cemento presenta la formacin de conglomerados con
propiedades cementosas13.
Figura 2: Modelo estructural de C-S-H14.
Cuadro 3: Resistencia mecnica para el lodo inmovilizado utilizando varios tipos de cemento.
Tipo de cemento
Resistencia mecnica (0,04MPa)
Proporcin
Cemento LodoPortland/carbonato
50/50Portland/carbonato
75/25Portland/puzolana
80/20
10 0 31,26 40,08 62,92
7 3 1,15 3,43 5,89
6 4 0,18 1,02 2,77
5 5 0,17 0,40 0,54
4 6 N.D. 0,13 0,07
N.D. no determinado. No hubo fragua.
Conclusiones
La tecnologa de inmovilizacin fue aplicada
efectivamente a un lodo de planta de tratamiento de
lquidos electrolticos utilizados en la electrodeposicin de
nquel y cromo sobre cobre. El lodo present
concentraciones de cromo y cobre por debajo de la norma
y concentracin de nquel arriba de la norma al aplicarle el
anlisis de lixiviacin (TCLP). Para la inmovilizacin
nquel se utilizaron mezclas de cemento Prtlan
carbonato de calcio y cemento Prtland y mater
puzolnicos. Ambas mezclas de materiales logr
reducir la lixiviacin del nquel a valores por debajo
norma nacional. Sin embargo, las mezclas con mater
puzolnicos presentaron una mayor resistencia mec
El nquel se logr inmovilizar satisfactoriamente a va
-
7/25/2019 93320303
7/7
Lus Romero, Maricruz Vargas, Francisco Padilla / Avances en Qumica, 2 (3), 9-14 (2007)14
por debajo de la norma nacional debido probablemente
por: la formacin de hidrxido insoluble al pH del poro
entre 11 y 12; reacciones de adicin y substitucin; posible
formacin de nuevos compuestos y la adsorcin fsica en
los silicatos clcicos hidratados del cemento. En general al
inmovilizar un material peligroso el material resultante
debe cumplir con las normas en cuanto a lixiviacin de los
contaminantes y resistencia mecnica.
Agradecimiento
Un agradecimiento a la Agencia de Cooperacin Japonesa
(JICA), empresa de cemento Holcim (Costa Rica) S.A. y a
la empresa de electrodeposicin Prolex S.A. por su valiosa
colaboracin en la realizacin de esta investigacin.
Referencias
1. Araya, W. Reporte Nacional de Manejo de Materiales CostaRica-2002, PROARCA, USAID, CNP+L; Costa Rica (2002).
2. Harada, K. Waste Processing Technologies and Risk of
Hazardous Wastes. Centro de Investigacin en ProteccinAmbiental (CIPA)-Instituto Tecnolgico de Costa Rica (ITCR).Costa Rica (2005).
3. Wiles, C. Solidification and Stabilization Technology. EnStandard Handbook of Hazardous Waste Treatment andDisposal, Freeman, H. (Editor): pp 7.31-7.46. McGraw-Hill,
New York (1997).
4. Wilson, D., Balkau, F. y Thurgood, M. Solidificacin yEstabilizacin. Manual de Formacin en gestin de residuos
peligrosos para pases en vas de desarrollo. Disponible:www.uneptie.org/pc/hazardouswaste/menu.htm(mayo, 2005).
5. LaGrega, M., Buckingham, P. y Evans, J. Gestin de
Residuos Txicos: Tratamiento, Eliminacin y Recuperacin deSuelos, Vol. II. McGraw Hill. Espaa (1996).
6. Wikipedia The free encyclopedia. Electroplating.Disponible: http://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating.(diciembre 2007).
7. USEPA. Method 1311. Test Method for Evaluating Solid
Waste (SW 846) (1990). Disponible: http://www.epa.gov/sw-846/main.htm.
8. Greeberg, A. Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater. 21st Edition. American Water WorksAssociation (2005).
9. ASTM C-109, C-305 y C-230. American Standard Test
Methods. ASTM. USA.
10. USEPA Soil and waste pH. Test Method for EvaluatingSolid Waste (SW 846) (1990). Disponible:http://www.epa.gov/sw-846/main.htm.
11. Gobierno de la Repblica de Costa Rica. Reglamento deDesechos Peligrosos de Costa Rica. En: La Gaceta N 124, pp2-
9. Costa Rica (1998).
12. Shi, C., Spence, R. Designing of Cement-Based Forfor Solidification/Stabilization of Hazardous, RadioactiveMixed Wastes. Critical Reviews in Environmental Scand Technology, 34, 391-417 (2004).
13. Shi, C. Hydraulic Cement Systems
Stabilization/solidification. En: Stabilization and Solidificof Hazardous, Radioactive, and Mixed Wastes. Editado porSpence y C. Shi, pp 49-77,CRC Press, Boca Raton, USA (2
14. Mindness, S., Young, J.F. Concrete. Prentice Englewood Cliffs, N.J. USA (1981).