I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 DE RIEGO Y DRENAJE23 Y 24 de noviembre de 2015

Jiutepec, Morelos

REDUCCIÓN DE BORO EN AGUA DE POZOS PARA RIEGO

José Luz González ChávezDaniel Calderón Maldonado

Francisco Martín Romero ChávezFabiola Vega García

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA/INSTITUTO DE GEOLOGÍA

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Índice

Antecedentes

Justificación

Objetivos

Metodología

Resultados

Conclusiones

Referencias

Antecedentes

Boro

Metaloide presente en la naturaleza en forma de boratos, ácido bórico y borosilicatos.

Boro en agua

Ácido bórico [H3BO3] y borato [B(OH)− 4]

Figura 1. Estructura del ácido bórico (a) y borato (b)

Efectos del BoroEl Boro es uno de los elementos más problemáticos en el suelo, debidoa su estrecho margen entre beneficio y toxicidad.

Deficiencia de Boro ocasiona problemas de crecimiento y movimientode azúcares en las plantas.

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Exceso de boro

En hojas adultas: Fuertes quemaduras y desecaciones en el extremo de los folíolos.

Produce la muerte del cultivo.

Figura 2. Hojas de cítricos afectadas por toxicidad por boro. Limonero (A),

Naranjo (B), Pomelo (C).

Las fuentes de boro en sistemas de aguas subterráneas poco profundas

• Contaminación natural de B en aguas superficiales.

• Fertilizantes, herbicidas e insecticidas.

• Aguas y desechos mineros.

• Residuos de detergentes y productos de limpieza, liberados en las aguas superficiales a través de las aguas residuales tratadas y sin tratar.

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Métodos de remoción de Boro

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Procesos Físicos Procesos Químicos

Procesos de membrana:

Principalmente ósmosis inversa acoplada a adsorción o intercambio iónico.

Electrocoagulación

Coagulación-Floculación

Intercambio Iónico

Adsorción

• Las altas concentraciones de boro en el agua de riego ejercen un efecto tóxico en las plantas.

• Concentración de B en el agua de los pozos de la compañía Hortalizas Argaman®:

Pozo 1: 0.9 ppm B

Pozo 2: 2.6 ppm B

Pozo 3: 0.7 ppm B

Pozo 4: 1.0 ppm B

Flujo: 4-8 L/s

Flujo: 14- 20 L/s

Flujo: 4-8 L/s

Flujo: 4-8 L/s

Justificación

Normatividad

Norma NMX-AA-063-SCFI-2001. (Método espectrofotométrico).

Norma NMX-AA-063-1981. (Método potenciométrico).

Se requiere de un método eficiente para la determinación

de boro en aguas naturales.

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Objetivo general

Evaluar materiales abundantes en óxidos e hidróxidos de

calcio, magnesio y hierro como adsorbentes de boro.

Obtener un método accesible para cuantificar boro en una

cantidad extensa de muestras, en poco tiempo, de modo

económico y obteniendo resultados confiables y precisos.

Objetivos particulares

• Comparar entre dos métodos de análisis para la cuantificación deboro en agua.

• Optimizar los métodos de análisis conocidos.

• Comparar entre cinco materiales “naturales” para la remoción deboro en agua de pozo.

• Comparar entre cuatro materiales de grado industrial paradisminuir la concentración de boro en aguas de pozo.

• Optimizar el material más adecuado para reducir la concentraciónde boro en el agua.

Metodología

Tratamiento de la muestra

Agregar HNO3 conc. hasta

pH < 2 y mantener a 4 °C.

Filtrar con una membrana de

0.45 µm.

Practicar el desarrollo de

color indicado para los

estándares.

Tomar una alícuota de 1 mL.

Leer absorbancia a 540 nm.

Método espectrofotométrico- Formación de Rosocianina(rojo)

Problemática: Interferentes

Preservación de la muestra con HNO3 hasta pH < 2.

Interferencia: Concentración de nitratos mayores a 20 ppm.

Filtración con membrana de 0.45 𝞵m.

Interferencia: Partículas coloidales.

Exceso de curcumina, insoluble en agua.

“Interferencia”, la matriz es agua.

Lectura de Abs λ=540 nm.

Absorbancia de la rosocianina λ= 550.6 nm.

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* El método se aplica para la

determinación de boro en un

intervalo de concentraciones

entre 0.1 y 1.0 ppm

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Las membranas superiores corresponden

a la filtración del agua del Pozo 3 y las

inferiores a la filtración del agua del

Pozo 2. La de la izquierda es la

membrana de 0.45 µm y la de la derecha

la de la membrana de 0.20 µm.

Figura 3. Fotografías de las

membranas utilizadas para filtrar el

agua de los Pozo 2 y Pozo 3.

Pruebas de remoción de boro con diversos materiales

Pesar 3.5 g de material y

transferirlo a un matraz

Erlenmeyer de 250 mL.

Agregar 70 mL de agua con boro.

Conservar en agitación constante

a 350 rpm por 1 hora.

Ajustar el pH a:

• 9.5

• 10

• 10.5

Medir 50 mL de líquido y

determinar [B] por el método

potenciométrico.

Filtrar y recuperar el líquido

en recipientes de polietileno.

Optimización y ciclos de uso de MgO y cal.

(Utilizando el material 10 veces continuas)

Pesar 3.5 g de material y

transferirlo a un matraz

Erlenmeyer de 250 mL.

Agregar 70 mL de agua con boro.

Conservar en agitación constante

a 350 rpm por 1 hora.

Medir 50 mL de

líquido y

determinar [B]por el método

potenciométrico.

Filtrar y recuperar el líquido

en recipientes de polietileno.

Filtrar y recuperar

el sólido.

Transferirlo nuevamente al

matraz.

Añadir 70 mL

de agua con

B.

Repetir los pasos

anteriores 9 veces más.

Resultados

Características y parámetros generales del agua de los pozos

Pozo CE µS/cm STD, mg/L T °C pH

Pozo 1 739 523 25.9 7.46

Pozo 2 1050 744 31.7 8.08

Pozo 3 721 513 25.7 7.41

Pozo 4 835 592 26.5 7.43

Tabla 1. Parámetros generales de los Pozos 1, 2, 3 y 4

MuestraNa+ K+ Ca2+ Mg2+ F- Cl- NO3

- SO42- HCO3

-

mg/L

Pozo 1 49.0 8.3 38.8 10.4 0.5 18.6 28.0 17.7 234.5

Pozo 2 116.3 6.4 7.4 5.8 2.3 57.3 LD 0.6 318.2

Pozo 3 45.4 6.8 40.3 15.4 0.6 10.5 38.2 12.4 234.5

Pozo 4 62.6 8.0 34.3 13.6 0.7 28.4 25.5 19.1 244.5

Tabla 2. Concentración de iones mayoritarios en el agua de los 4 pozos.

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Clave

Tiempo de

agitación

(h)

pH

inicial

pH

final

% B

eliminadopH final

% B

eliminado

Agua del Pozo 2

Terrero 1 7.9 8.6 1.63 10.76 23.36

Jalisco 1 7.9 8.3 0 11.06 9.01

Escoria 1 7.9 12.2 33.19

Fe-

Oxihidróxido1 7.9 7.8 6.14 10.72 22.54

Ladrillo 1 7.9 8.1 1.22 11.27 24.59

Tabla 3. Pruebas de retención de boro disuelto en diferentes

materiales a diferentes pH

Pruebas de remoción de boro con residuos mineros y ladrillo rojo

Pruebas de eliminación de boro con compuestos de calcio y de magnesio

Tabla 4. Adsorción a pH 9.5, 10 y 10. 5 con materiales de grado

industrial.

Material pH inicial pH fijado % B retenidoCarbonato decalcio (CaCO3)

7.9 9.55 29.097.9 10.01 29.097.9 10.53 33.60

Carbonato demagnesio(MgCO3)

7.9 9.51 31.147.9 10.01 42.21

7.9 10.51 49.18

Cal viva 7.9 11.61 71.31

Óxido demagnesio(MgO)

7.9 9.80 73.367.9 10.04 74.59

7.9 10.50 81.14

Utilizando el óxido de magnesio 10 veces discontinuas

Tabla 5. Ciclos de adsorción con óxido de magnesio sin lavar y con

lavado.

Muestra pH disolución sin

lavar

% B retenido pH disolución con

lavado

% B retenido

Agua sin

tratamiento

7.86 0 7.86 0

Ciclo 1 9.86 51.38 9.86 65.27

Ciclo 2 9.95 45.83 9.91 51.38

Ciclo 3 10.00 44.44 10.01 50.00

Ciclo 4 10.03 43.05 9.94 69.44

Ciclo 5 9.94 61.11 9.98 63.88

Ciclo 6 10.01 61.11 9.99 63.88

Ciclo 7 9.98 61.11 10.00 59.72

Ciclo 8 10.02 55.55 10.00 72.22

Ciclo 9 10.01 58.33 10.01 66.66

Ciclo 10 10.00 69.44 9.98 63.88

Figura 4. Comparación entre la efectividad del óxido de magnesio sin

lavar (azul), lavado (rojo); cal viva sin lavar (verde) y lavada (morado).

Características finales del agua tratada con MgO

pH C.E. Na+ K+ Ca2+ Mg2+ F- Cl- NO3- SO4

2- HCO3-

µS/c

m

ppm

Agua

inic.

9.3 1285 116.3 6.4 7.4 5.8 2.3 57.3 LD 0.6 318.2

Agua

trat.

9.3 1285 198.4 10.0 21.7 77.0 0.1 63.3 16.1 1.4 915

Tabla 6. Características e iones mayoritarios del agua antes y después del tratamiento.

pH C.E. Na+ K+ Ca2+ Mg2+ F- Cl- NO3- SO4

2- HCO3-

µS/c

m

ppm

Mezcla 8.8 973 131.1 10.54 22.42 40.14 0.43 33.44 1.68 9.32 610

Tabla 7. Características e iones mayoritarios de la mezcla del agua de los 4 pozos.

pH C.E. Na+ K+ Ca2+ Mg2+ F- Cl- NO3- SO4

2- HCO3-

µS/cm ppm

Mezcla 6.04 813 135.82 17.06 26.26 41.14 0.41 33.09 0.43 26612 25

Tabla 8. Características e iones mayoritarios de la mezcla del agua de los 4 pozos a pH= 6.

[B] (ppm) Dureza [CaCO3] (ppm)

Mezcla final (pH=6) 0.97 241

Tabla 9. Concentración de boro y dureza de la mezcla final del agua de los 4 pozos.

El agrónomo de la compañía evaluó las características del agua

y concluyó que ésta es adecuada para los cultivos de su interés.

Conclusiones

Es importante eliminar las interferencias en el método espectrofotométrico, por ejemplo, la adición de ácido nítrico a las muestras para su preservación; y asegurarse de tener una muestra libre de partículas coloidales.

Aunque la NMX-AA-063-1981 quedó cancelada al entrar en vigor la NMX-AA-063-SCFI-2001, el método que se pone a disposición (método del manitol) es un procedimiento de fácil aplicación y con mayor tolerancia a los desvíos de variables como la temperatura de trabajo.

La reducción de la concentración de boro con los materiales no convencionales depende del pH, es conveniente fijar el pH de la disolución mayor a 9.2.

El óxido de magnesio y la cal viva se eligieron como los adsorbentes no convencionales para la reducción de boro del agua del Pozo 2, obteniéndose una concentración menor a 1.0 ppm, lo cual la hace ideal para su destino.

El óxido de magnesio se puede reutilizar sin lavar hasta 10 veces en proporción sólido:líquido 1:20 disminuyendo la concentración del agua del Pozo 2 de 2.44 ppm a 1.09 ppm.

El agua tratada con óxido de magnesio (proveniente del Pozo 2) combinada con el agua de los 3 pozos restantes y ajustando el pH a un valor de 6, tiene las características adecuadas para el propósito de la compañía de producción de hortalizas.

Referencias

• Remoción de boro y arsénico presentes en altas concentraciones en agua medianteescorias metalúrgicas. (2013). Tesis doctoral, Bertha María Mercado Borrayo.Instituto de Ingeniería. UNAM.

• B.M. Mercado-Borrayo, R. Schouwenaars, J.L. González-Chávez & R.M. Ramírez-Zamora. (2013). Multi-analytical assessment of iron and steel slag characteristics toestimate the removal of metalloids from contaminated water, Journal ofEnvironmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances andEnvironmental Engineering, 48, 8, 887-895.

• Reducción de boro en aguas procedentes de la desalación. (2009). Tesis doctoral,María Fernanda Chillón Arias. Facultad de ciencias. Universidad de Alicante.

• Majid Sartaj and Leta Fernandes. (2005). Adsorption of boron from landfill leachateby peat and the effect of environmental factors. Journal of EnvironmentalEngineering Science. 4, 19–28.

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