DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
DISMINUCIÓN DE LA TURBIDEZ EN AGUA USANDO EXTRACTO A BASE DE POLIFENOLES DE COL MORADA
Javier Andrés1 Esteban Muñoz1
Dalia Fernanda2 Cabieles Cárdenas2
Angie Tatiana3 Martínez Caro3
Utilizamos un extracto etanólico obtenido de un material vegetal que ha hecho parte de nuestra alimentación e investigado en la Química y la medicina: la col morada para la aplicación en aguas turbias
Una práctica común a nivel mundial en el tratamiento de las aguas es el uso de sustancias químicas inorgánicas, orgánicas o poliméricas conocidas como coagulantes y/o coadyuvantes. Particularmente, se han empleado sales metálicas para dicho proceso; algunas de éstas, corresponden a sulfato de aluminio o alumbre (Al2(SO4)3), cloruro férrico (FeCl3), el sulfato férrico (Fe2(SO4)3), siendo utilizadas para la remoción de sólidos suspendidos, partículas coloidales, materia orgánica, metales pesados, entre otros. Sin embargo, según los reportes científicos en la literatura, en cuanto a su uso se han mostrado problemas asociados a la salud pública dado que generan lodos con alta carga en cationes metálicos, generando impacto en el Sistema Nervioso Central (SNC) y su vinculación con la enfermedad de Alzheimer.
Por otro lado, frente a la turbidez, como uno de los tantos parámetros físicos, químicos y microbiológicos que debe tener el agua para consumo humano que se encuentran presentes en la Resolución 2115 de 2007 de Colombia, se define como la medida de transparencia que pierde el agua por la presencia de material en suspensión, siendo expresado en unidades nefelométricas (UNT). Ésta se puede originar por presencia de algas, sedimentos, lo cual puede generar problemáticas asociadas a la incorporación de microorganismos, así como de metales pesados, la reducción del oxígeno disuelto en el agua, entre otros contaminantes.
Es así que, el campo del tratamiento de las aguas empleando productos naturales, se ha presentado como una oportunidad para explorar e investigar materiales naturales (plantas, frutos, semillas, hojas, entre otros), debido a la gran variedad de compuestos químicos que hacen parte de éstos, conocidos como metabolitos, entre los cuales se encuentran los polifenoles (taninos, antocianinas, ácidos hidroxicinámicos, etc.). Se busca obtener extractos acuosos o etanólicos con una cantidad considerable de dichos compuestos empleando métodos de extracción sólido-líquido. Dentro de los extractos naturales que se han obtenido, para el tratamiento de aguas residuales con presencia de material en suspensión y metales pesados, están las semillas y corteza de Moringa oleífera y las hojas de acacia, debido a su fácil adquisición, a su contenido variado de polifenoles y a que los lodos generados a partir de estos son biodegradables y se pueden emplear como abono orgánico.
En este sentido, en la presente investigación se seleccionó la col morada (Brassica oleracea var. Capitata f. Rubra), para la obtención de un extracto etanólico; éste siendo utilizado como coadyuvante natural con el fin de reducir la dosis o concentración de un coagulante inorgánico (en este caso, sulfato de aluminio) en el tratamiento de las aguas, específicamente en la remoción de la turbidez y analizar la eficiencia en éste proceso.
Extracto etanólico de col morada: ¿cómo se obtuvo y cuáles son sus características físicas y químicas?
El extracto de col morada (CM), fue obtenido por extracción tipo sólido-líquido (Soxhlet) empleando 100 g del material vegetal triturado a un tamaño de partícula de 3-5 mm y como solvente etanol al 96 %v/v. Posteriormente, el extracto obtenido se secó entre 65-70°C en una estufa de laboratorio bajo un tiempo de 12 h obteniéndose una resina viscosa; ésta se diluyó – empleando agua como disolvente – a 500 mg/L.
Figura 1. Proceso de extracción y obtención del extracto de col morada para ser empleado como coadyuvante natural.
Al extracto de col morada obtenido se le midió las características físicas (pH y la densidad), y las químicas (concentración de polifenoles totales-PT); es así que, el pH fue de 6.5 y una densidad 0.98 g/mL. Con relación a la cuantificación de los PT presentes en el extracto, se empleó la técnica analítica instrumental de Espectrofotometría Ultravioleta-Visible (UV/VIS) obteniendo así un valor de 170.2 mg/L; a su vez, empleando una marcha fitoquímica que indicó la presencia de antocianinas, taninos, flavonoides y ácidos hidroxicinámicos en el extracto.
Aplicación del extracto de col morada en aguas turbias sintéticas
En primer lugar, se prepararon aguas turbias sintéticas o simuladas empleando caolín (mineral de arcilla de fórmula química Al₂Si₂O₅(OH)4), dado que éste tipo de sustancia ha sido empleada y reportada en la literatura para simular la turbidez por presencia de material suspendido; se utilizaron 5 g por cada litro de agua. Con relación a las pruebas de remoción, se realizaron acorde a la Norma Técnica Colombiana NTC-3903:199, norma que establece un procedimiento general para los ensayos de jarras con relación al proceso de coagulación-floculación química.
Se utilizó un floculador de seis posiciones, a condiciones de una mezcla rápida de 120 rpm/1 min y la mezcla lenta de 30 rpm/20 min a temperatura ambiente; con respecto a la medición de la turbidez inicial y final del proceso, se empleó un nefelómetro o turbidimetro. Los ensayos realizados con el coagulante y el extracto obtenido y la combinación de estos dos, se resumen en la Figura 2:
Figura 2. Ensayos realizados con el coagulante y el coadyuvante natural.
Fuente: Autores (2020).
Como se observa en la Figura 2, se realizaron ensayos concernientes a la determinación de la dosis o concentración óptima y el pH óptimo tanto para el coagulante seleccionado y el extracto de col morada. Para el caso del alumbre, en cada jarra- las cuales contenían 5 g de caolín por litro de agua- se adicionaron concentraciones crecientes de éste (0.5 mg/L, 1.0 mg/L, 1.5 mg/L, 2.0 mg/L, 2.5 mg/L y 3.0 mg/L), sin ajustar el pH, para la determinación de la dosis óptima del mismo; luego, se determinó el pH de trabajo ajustando los valores en el rango de 5.5 a 8.0 unidades con HCl y NaOH 0.1 M.
Con relación al extracto de col morada, manteniendo la misma proporción de caolín mencionada, se adicionaron concentraciones de 5 mg/L, 10 mg/L, 15 mg/L, 20 mg/L, 25 mg/L y 30 mg/L del mismo; para el caso de la determinación del pH, se utilizó el rango anteriormente mencionado.
Por último, se realizaron ensayos variando las concentraciones del alumbre en el rango de 0.5 mg/L a 3.0 mg/L, y añadiendo consecutivamente la dosis o concentración óptima determinada del extracto de col morada.
Resultados de los ensayos realizados en las aguas turbias sintéticas
De acuerdo a los ensayos expuestos y detallados en el apartado anterior, en la Figura 3 se ilustran los resultados obtenidos de éstos:
Figura 3. Ensayos con el coagulante (alumbre) y el coadyuvante natural (extracto de col morada) en la remoción de la turbidez por material suspendido de las aguas turbias sintéticas.
Fuente: Autores (2020).
Como se observa en la Figura 3, en primer lugar, en cuanto a los valores determinados de la dosis y el pH óptimo del coagulante, se tienen 3.0 mg/L y 5.5 respectivamente; estos resultados indican que, al ajustar las aguas sintéticas en cuanto a pH y dosis del alumbre, se presentará una eficiencia en la remoción de la turbidez por material suspendido entre 93.9% y 98.7%, con un tiempo de formación del floc entre 5 a 12 minutos y un pH final del agua entre 5.3 a 6.9.
En segundo lugar, con relación al extracto de col morada, los valores hallados para la dosis y el pH óptimo son 30 mg/L y 5.5 correspondientemente; éstos resultados indican que, al ajustar las aguas sintéticas en cuanto a pH y dosis del extracto, se presentará una eficiencia en la remoción de la turbidez por material suspendido entre 48.7% y 51.9%, con un tiempo de formación del floc entre 4 a 10 minutos y un pH final del agua entre 6.5 a 6.6.
Por último, cuando se combina la dosis óptima hallada del extracto de col morada (3.0 mg/L) junto con la de alumbre (30 mg/L), sin ajuste de pH, la remoción de la turbidez por el material en suspensión es del 87.9%, observándose la disminución en el tiempo de formación del floc (3 min) y un pH final del agua de 7.1. Cabe indicar que, en cuanto a la importancia del ajuste del pH, éste influye sobre los grupos funcionales de los polifenoles del extracto, pues éstos pueden cargarse positiva o negativamente; lo anterior, puede ocasionar que dichos compuestos interaccionen hasta cierto grado con el material suspendido en el agua generando la remoción de la turbidez.
Conclusión
Se puede concluir parcialmente que el extracto etanólico de col morada podría utilizarse como coadyuvante natural en presencia de coagulantes inorgánicos, como el alumbre, que facilita la remoción de la turbidez por material en suspensión. Lo anterior, debido a que el agua tratada presentó una turbidez final de 408.04 UNT de un valor inicial de 3389 UNT, con un porcentaje de remoción del 87.9%, tiempo de formación del floc de 3 minutos, pH final del agua de 7.1, con una dosis de alumbre de 3.0 mg/L y extracto de col morada de 30 mg/L sin ajuste del pH.
Referencias
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Zouboulis, A., Traskas, G., & Samaras, P. (2008). Comparison of Efficiency between Poly‐aluminium Chloride and Aluminium Sulphate Coagulants during Full‐scale Experiments in a Drinking Water Treatment Plant. Separation Science and Technology, 43(6), 1507–1519. https://doi.org/10.1080/01496390801940903
Filiaciones institucionales de los investigadores
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Javier Andrés Esteban Muñoz, Centro de Gestión Industrial, Tecnólogo en Química aplicada a la industria, Servicio Nacional de Aprendizaje, Bogotá-Colombia, jaesteban4@misena.edu.co
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Dalia Fernanda Cabieles Cárdenas, Centro de Gestión Industrial, Tecnólogo en Química aplicada a la industria, Servicio Nacional de Aprendizaje, Bogotá-Colombia, dfcabieles@misena.edu.co
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Angie Tatiana Martínez Caro, Centro de Gestión Industrial, Tecnólogo en Química aplicada a la industria, Servicio Nacional de Aprendizaje, Bogotá-Colombia, atmartinez99@misena.edu.co
Reconocimientos especiales
Agradecemos a Daniel Barrero Amarillo, Victoria Isabel Jiménez Escobar y David Leonardo Sotelo Tobón - participantes de la investigación, la cual fue realizada a lo largo de la formación de la Tecnología en Química aplicada a la industria - frente a sus aportes en la estructuración del presente artículo y la metodología llevada a cabo en el laboratorio de las instalaciones del Centro de Gestión Industrial, Bogotá (Colombia).