Coagulantes naturales de origen vegetal

Introducción

El agua es un recurso esencial para los seres vivos, es
el líquido vital para la sustentación de la vida
que permite la sobrevivencia del ser humano en el planeta. Este
recurso se encuentra en la naturaleza en distintas formas:
nevados, lagunas, cursos de aguas superficiales (riachuelos y
ríos) y agua subterránea, sin embargo en algunos de
los casos el agua presenta impurezas y para remover esta
coloración se utiliza la clarificación, la cual por
medio de un proceso de coagulación-floculación
logra llevar el agua a condiciones deseadas en la
potabilización.

En los países en desarrollo, los procesos de
coagulación y floculación para el tratamiento de
agua se realiza utilizando materias primas importadas. Por
ejemplo, Costa Rica ha importado alrededor de 3.000 toneladas
anuales de sulfato de aluminio, equivalentes a medio
millón de dólares por año (costo en aduanas)
durante los últimos 5 años (Vargas, Romero
2006)

En un intento de eludir los problemas asociados con los
métodos de purificación convencionales, los
coagulantes – floculantes de origen vegetal son una alternativa
en la remoción de contaminantes en el agua. El objetivo de
este trabajo es indagar y divulgar las experiencias obtenidas en
la clarificación del agua, usando coagulantes de origen
natural con el fin conocer las ventajas que se presentan en
cuanto a costo y beneficio.

Propiedades del
agua

El agua que abunda en la naturaleza, y más o
menos pura, forma la lluvia los ríos y los mares, posee
propiedades peculiares físicas y químicas que
provienen en gran parte de su cohesión interna
extraordinaria cuando se compara con otro liquido. Esta claro que
es una molécula muy polar, un fenómeno con
implicaciones enormes para los sistemas vivientes, además
las moléculas se asocian mediante enlaces de hidrogeno,
una interacción crucial tanto para las propiedades del
agua en si como por su papel como solvente bioquímica. El
agua es la única sustancia que existe a temperaturas
ordinarias en los tres estados de la materia y se debe en gran
parte a las uniones intermoleculares. La estructura del hielo es
un gran ejemplo para explicar esta idea, algunos estudios
demuestran que el agua esta rodeada en forma de tetraedro por
cuatro vecinos mas cercanos a los que se une el hidrogeno, como
consecuencia de esta estructura abierta el agua se expande con el
congelamiento ( 0°C el agua tiene una densidad de 1.00g m L-1
mientras que el hielo tiene una densidad de 0.92 g m L-1. (Voet
D. 2006).

El agua permite la disociación de la
mayoría de las sales minerales, es decir posee un alta
constante dieléctrica, además tiene un elevado
calor especifico por lo que el hombre puede absorber o perder
bastante calor con escasa modificación de la temperatura
corporal y una característica de la cual se valen algunos
organismos es la tensión superficial, es decir sus
moléculas se ordenan de modo que la superficie libre sea
mínimo.

Calidad y
cantidad de agua

Aunque el agua es el elemento mas frecuente de la
tierra, únicamente el 2.53% del total de agua es dulce y
el resto salada. Aproximadamente 2/3 del agua dulce se encuentran
inmovilizadas en glaciares y al abrigo de nieves perpetuas
(UNESCO, 2003). Adicional a eso la calidad y cantidad de agua
disponible están siendo afectadas por el aumento de la
contaminación por parte de fuentes puntuales y no
puntuales tales como las industrias y la agricultura
respectivamente y el constante incremento poblacional. (Mollah
et al, 2004).

En relación a lo mencionado anteriormente
mencionado, tanto los criterios como estándares y
objetivos de calidad de agua varían dependiendo de si se
trata de agua para consumo humano (agua potable), para uso
industrial o agrícola, para recreación,
etc.

Relación de la disponibilidad
de agua y la población

Fuente: Sitio Web de UNESCO-PHI (Oficina regional de
ciencias para América latina y el caribe)

Actualmente, 1.100 millones de personas carecen de
instalaciones necesarias para abastecerse de agua y 2.400
millones no tienen acceso a sistemas de saneamiento. En el
círculo vicioso de la pobreza y la enfermedad, el agua y
el saneamiento insuficientes constituyen a la vez la causa y el
efecto: aquellos que no disponen de un suministro de agua
suficiente y abordable son, invariablemente, los más
pobres (UNESCO, 2003).

Potabilización del
agua

Se denomina agua potable a aquella que pose ciertas
características químicas, físicas y
biológicas aptas para consumo humano y animal sin riesgo
de contraer enfermedades (Romero, 2008), es decir el agua que ha
sido tratada para consumo humano regida por estándares de
calidad determinados por las autoridades.

Al proceso de conversión de agua común en
agua potable se le denomina potabilización. Suele
consistir en un stripping de los compuestos
volátiles seguido de la precipitación de impurezas
con floculantes, filtración y desinfección con
cloro u ozono.

4.1 Pasos fundamentales en el proceso de
potabilizacion

TOMA DEL RIO. Punto de captación de las
aguas; REJA. Impide la penetración de elementos de gran
tamaño (ramas, troncos, peces, etc.).

DESARENADOR. Sedimenta arenas que van suspendidas para
evitar dañar las bombas.

BOMBEO DE BAJA (Bombas también llamadas de baja
presión). Toman el agua directamente de un río,
lago o embalse, enviando el agua cruda a la cámara de
mezcla.

CAMARA DE MEZCLA. Donde se agrega al agua productos
químicos. Los principales son los coagulantes (sulfato de
alúmina), alcalinizantes (cal)

DECANTADOR. El agua llega velozmente a una pileta muy
amplia donde se aquieta, permitiendo que se depositen las
impurezas en el fondo. Para acelerar esta operación, se le
agrega al agua coagulante que atrapan las impurezas formando
pesados coágulos. El agua sale muy clarificada y junto con
la suciedad quedan gran parte de las bacterias que
contenía.

FILTRO. El agua decantada llega hasta un filtro donde
pasa a través de sucesivas capas de arena de distinto
grosor. Sale prácticamente potable.

DESINFECCIÓN. Para asegurar aún más
la potabilidad del agua, se le agrega cloro que elimina el exceso
de bacterias y lo que es muy importante, su desarrollo en el
recorrido hasta las viviendas.

BOMBEO DE ALTA. Toma el agua del depósito de la
ciudad.

TANQUE DE RESERVA. Desde donde se distribuye a toda la
ciudad. Muestras tomadas en distintos lugares del
sistema.

CONTROL FINAL. Antes de llegar al consumo, el agua es
severamente controlada por químicos expertos, que
analizan

Purificación del
agua

La clarificación del agua tiene por objeto
retirar los  sólidos  suspendidos,
sólidos  finamente divididos  y materiales 
coloidales,
convirtiéndolos en partículas más grandes que
se pueden remover con mayor facilidad (Cogollo, 2010). Es uno de
los procesos más importantes en la potabilizacion del agua
en el cual se incluyen tres subprocesos de coagulación
floculacion y sedimentación. Primero, se agregan los
coagulantes. Los coagulantes reducen la carga de iones, de modo
que acumulan las partículas en formas más grandes
llamadas flóculos. Los flóculos se depositan por
gravedad en tanques de filtración o se quitan mientras que
el agua atraviesa un filtro de gravedad.

5.1 Coagulación-floculación de las
impurezas del agua.

La coagulación es el método más
importante para la remoción de partículas
coloidales y suspendidas (80 a 90% de remoción), (Metcalf,
1979) del agua en su potabilización. Además de
reducir la turbidez del agua, la coagulación parcialmente
remueve el color, bacterias (80 a 90%), (Metcalf, 1979) y virus
(Kelderman & Kruis, 2001).

Las partículas coloidales en el agua están
por lo general cargadas negativamente, debido a la presencia de
grupos COO¯ y OH¯ , reemplazo de iones Si4+ por iones
Al3+ o por la absorción en la superficie de iones por
fuerzas de van der Waals (Van Bremen, 2001; Kelderman &
Kruis, 2001). La carga negativa en la superficie causa
repulsión entre las partículas, evitando la
aglomeración y formación de partículas
más grandes que sedimentarían más
fácilmente. Debido a la combinación de factores de
tamaño de partícula pequeño y superficie
cargada negativamente, las suspensiones coloidales son muy
estables (Kelderman & Kruis, 2001).

El coagulante remueve estas partículas cargadas
negativamente mediante iones cargados positivamente, de esta
manera se produce la aglomeración mediante fuerzas de van
der Waals, para posteriormente formar microfloculos y mas tarde
floculos que pueden sedimentarse fácilmente (Kelderman
& Kruis, 2001).

5.2 coagulantes

En el proceso de coagulación se forman
pequeñas partículas gelatinosas mediante la
adición de el coagulante al agua y la aplicación de
energía de mezclado, que desestabiliza las
partículas suspendidas por neutralización de las
cargas coloides cargados negativamente (Cogollo, 2010). En este
orden de ideas los coagulantes que se usan deben ser iones
positivos como compuestos hechos a base de sales de hierro y
aluminio. los mas ampliamente usados son el sulfato de aluminio,
cloruro de hierro (II) y sulfato de hierro (II). Cada coagulante
tiene un  rango  específico  de pH 
donde tiene la mínima solubilidad y ocurre la
máxima precipitación dependiendo, también,
de las características  químicas 
del agua cruda. Con  excepción del aluminato de
sodio, estos  coagulantes  son sales
ácidas  que disminuyen  el  pH  del
agua. Por esta razón y dependiendo  del  agua a
tratar, es necesario agregar un álcali como 
cal, soda ash o soda cáustica (Cogollo, 2010).

5.3 floculantes artificiales

Estos consisten en macromoléculas (masa molar
106-107) de cadenas largas obtenidas de la asociación de
monómeros sintéticos, algunos de los cuales tienen
grupos ionizables y cargas eléctricas. Los floculantes se
clasifican en aniónicos (usualmente arcrilamidas y
copolímeros de acido acrílico), neutros
(básicamente poliacrilamidas) y catiónicos
(copólimeros de archilamida y monómeros
catiónicos) (Degremont, 1991).

Coagulantes
naturales

Entre los coagulantes naturales están los de
origen orgánico que se encuentran en ciertas plantas. Son
de diversos tipos, incluyen semillas en polvo del árbol
Moringa olifeira, tipos de arcilla tales como la
bentonita, el polvo de pepas de durazno, las habas, penca de tuna
y una de las más antiguas es la fariña obtenida de
la planta conocida como mandioca o yuca (Okuda et al.,
2001).

6.1 Penca de Tuna

La penca o tuna es una especie que alcanza gran porte
puede crecer hasta 12 m de alto. Presenta un tronco principal
grueso y leñoso. Se caracteriza por la presencia de frutos
ovoides, lisos de color verde aun cuando estén maduros.
Sus flores son verdoso rosadas no mayores de 10 cm de largo.
Ramas con ondulaciones longitudinales, con 8 a 20
costillas.

El coagulante de origen orgánico Cactus
lefaria ha sido ampliamente usado en los estados de Lara y
Falcon, como sustitúyente del sulfato de aluminio en el
proceso de clarificación del agua. Martinez y
colaboradores, investigadores de la universidad de Zulia
realizaron un estudio para evaluar la eficiencia de Cactus
lefaria como coagulante natural. los ensayos se realizaron a
escala de laboratorio, preparando aguas turbiaz sinteticas con
valores de turbidez iniciales de 20 a 150 UNT. los estudios
realizados demuestran que la planta remueve la turbidez entre un
80 y 90 %.

En localidades rurales o apartadas se emplea el cactus
como un clarificador natural, siguiendo la metodología
establecida en el libro "Tecnologías Apropiadas en Agua
Potable y Saneamiento Básico" (Pan American Health
Organization (PAHO) / Organización Panamericana de la
Salud (OPS)).

6.2 Mandioca o yuca

Manihot esculenta pertenece a la familia
Euphorbiaceae constituidas por unas 7200 especies que se
caracterizan por su notable desarrollo de los vasos
laticíferos, compuestos por células secretoras
llamadas galactositos. es un arbusto perenne. Es monoica de
ramificación simpodial y con variaciones en la altura de
la planta que oscilan entre 1 y 5 m, aunque la altura
máxima generalmente no excede los 3 m (Ceballos, H y Cruz,
A 2002). Canepa y colaboradores en su estudio Mezclas con
potencial coagulante para tratamiento de lixiviados de un relleno
sanitario demostraron que plantas con alto contenido de almidones
como el platano o la yuca son buenos en el proceso de
coagulación-floculacion en lixiviados.

6.3 Moringa oleifera

Moringa oleifera es una de las plantas en los
que mas se han hecho estudios en la evaluación como
coagulante natural. La utilización de las semillas de
moringa molidas ha dado muy buenos resultados en países
asiáticos y africanos para la clarificación de
aguas y la remoción de bacterias. Las semillas de Moringa
podrían evitar las millones de muertes que ocasiona
anualmente el agua contaminada. Las semillas poseen una sustancia
coagulante y floculante que captura las partículas en
suspensión en el agua y provocan que se precipiten. Las
semillas pueden emplearse artesanalmente moliéndolas y en
gran escala para purificar el agua.

Se han realizado varios trabajos en el mundo y en los
últimos años en el Perú, en la
utilización de productos naturales, cuyas
características y propiedades permiten su empleo como
coagulantes y floculantes primarios y/o ayudantes en el
tratamiento de agua (Arnal et al.2006; Babu et
al. 2005). No obstante, a los buenos resultados obtenidos
tanto a nivel internacional como nacional, resulta de gran
interés continuar profundizando en algunos aspectos muy
necesarios en la utilización de estos productos
naturales.

Se usan las bayas o vainas maduras y secas en la cual se
usan las almendras luego de haber retirado la cáscara,
posteriormente es molida y se usas en dosis de 150 a 300 mg de
semilla molida por litro.

6.4 Semilla de Durazno y Habas

Prunus persica Su fruto, llamado
melocotón, piesco, ectarina, pelón o durazno,
contiene una única y gran semilla encerrada en una
cáscara dura las cuales son molidas para obtener un polvo
que va actuar como coagulante.

Tabla 1. Dosis a emplear para la
clarificación del agua por medio del las semillas de
duraznos y habas.

Fuente:
http://cidbimena.desastres.hn/docum/ops/publicaciones/who91s/who91s.3.htm#B.484.3.4.3

6.5 Samanea saman

Samanea saman, árbol de la lluvia, campano,
cenízaro, cenícero, samán, tamarindo, es una
especie botánica de árbol de hasta 20 m, con un
dosel alto y ancho, de grandes y simétricas coronas. Tiene
hojas compuestas, bipinnadas de 3-9 pares de hasta 1 dm de largo,
de 2-4 dm de longitud, raquis piloso, y las flores, de color
rosado, se reúnen en inflorescencias vistosas situadas al
final de las ramitas. Los frutos son legumbres o vainas oscuras
de 8 a 20 cm de largo. Se utiliza como forrajera por sus
legumbres verdes y por sus semillas que son comestibles.
También se cultiva como ornamental.

Gonzales y colaboradores estudiaron el exudado gomoso de
Samanea saman como coagulante natural, estableciendo la
dosis optima mediante prueba de jarras y determinando algunos
parámetros físicos. Los resultados obtenidos
demuestran la eficiencia de remociones significativas entre 99.7%
y 99.8%.

Determinaciones
cualitativas

a) tamaño del floc producido.

Se observa el tamaño del floc producido y se le
evalúa cualitativamente según sus
características. Puede expresarse su tamaño en mm
de acuerdo con el comparador desarrollado por el Water Research
Institute of Inglatere (Figura 2.) o según el
índice de Willcomb que se incluye en la siguiente tabla
2.

Tabla 2. Índice de
Floculación de willcomb

Fuente: Jorge Arboleda Valencia.
Teoría y práctica de la purificación del
agua.

Fuente: Teoría y práctica
de la purificación del agua

Figura 1. Comparador para estimar el
tamaño del floc producido en la
coagulación.

b) tiempo inicial de formación de
floc.

Determinar el tiempo, en segundos, en que
tarda en aparecer el primer inicio de formación de floc,
es uno de los sistemas para calificar la velocidad de la
reacción. La iluminación de la base del agitador
ayuda en la determinación, pero aun así resulta
difícil, dado que el floc que el floc recién
formado suele ser incoloro. Por otra parte, el floc que se forma
más rápidamente no necesariamente es el
mejor.

En esta evaluación debe tenerse en
cuenta la diferencia de tiempo con que se agregaron los
coagulantes a los Beakers, el coagulante debe agregarse con
intervalos de 10 a 30 segundos en cada Beaker. Esto se muestra en
la tabla 3.

Tabla 3. Tiempo de adición de
coagulante en cada Beaker.

El tiempo de aparición del primer
floc será igual al tiempo inicial de aplicación del
coagulante al primer Beaker, hasta que se note el primer indicio
de floc, menos el tiempo que tardo en hacerse la
aplicación al Beaker considerado.

Balance de costo
y beneficio para los coagulantes empleados en la
clarificación del agua

Actualmente los coagulantes usados para la
clarificación del agua son de tipo inorgánico lo
cual acarrea desventajas tanto ambientales como económicas
ya que los lodos generados están constituidos por
sustancias inorgánicas que alteran los procesos naturales
presentes en las fuentes de aguas a las cuales son vertidos,
estos lodos se generan en las etapas de
floculación-coagulación y
sedimentación.

Desde el punto de vista económico los coagulantes
inorgánicos son mas costosos; pues se trata de un
compuesto químico que contienen electrolitos los cuales
van a desestabilizar las cargas eléctrica de las
partículas que traiga el agua a ser tratada; en su proceso
de fabricación se consumen energía y materia, lo
que se traduce en costos de producción, además se
generan residuos que causan contaminación al medio
ambiente. Por otra parte los coagulantes naturales son de bajo
costo, si bien menos accesibles, permiten la
implementación de métodos naturales para el
tratamiento de los lodos generados. Pues son componentes
naturales que van a actuar en el agua sin alterar sus propiedades
químicas originales. Sin embargo estos coagulantes no son
usados a escala mayores o en tratamientos para plantas
potabilizadoras que sean para poblaciones grandes sino que son
aplicados para acueductos regionales o como investigaciones de
universidades. Es necesario conocer sus características
potenciales para que sean aplicadas por las empresas
hidrológicas. Estos coagulantes no poseen ninguna
repercusión en la salud del ser humano lo que trae una
mayor ventaja frente a los coagulantes
inorgánicos.

Ventajas,
desventajas, limitaciones y eficiencias de los coagulantes
empleados en la clarificación del agua

Tabla 4. Ventajas y desventajas de
coagulantes naturales usados en la clarificación del
agua

Conclusiones

* La potabilización del agua esta compuesta por
una serie de proceso que permite entregar el líquido en
condiciones aptas para el consumo humano siguiendo los
lineamientos referidos en la ley de aguas, para así
garantizar su calidad.

* La clarificación es uno de los pasos a seguir
para remover del agua las partículas suspendidas que
causan la turbidez en la misma, siguiendo métodos de
adición de compuestos químicos como coagulantes que
permitan la aglomeración de partículas formando los
denominados floc los cuales van a decantar en el fondo del agua
debido a su mayor peso especifico.

* Cabe mencionar los diversos coagulantes naturales que
proporcionan las propiedades de remover el color aparente del
agua como lo es: la penca de tuna, la mandioca, la semilla de
durazno, el Samanea saman y la Moringa oleífera. Estos
garantizan el mismo resultado que los coagulantes artificiales
además de ser beneficiosos desde el punto de vista
ambiental ya que son biodegradables.

* El uso de coagulantes de origen naturales son nuevas
alternativas que deberían ser aplicados en el procesos de
clarificación, debido a que estos son mas
económicos, y causan menos impacto sobres los cuerpos de
aguas receptores de los lodos originados en los decantadores,
siendo el principal inconveniente la ubicación y
distribución de los mismos a lo largo de la
geografía terrestre.

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VOET D; VOET J; Bioquímica.. Edicion 3. 2006. Pag
43-45

Autor:

Galvis R. Manuel

Ortega Cynthia

Rondon Yesid

Facultad de Ciencias
Básicas

Universidad del Tolima

Barrio Santa Helena parte alta,
Ibagué Tolima Colombia