Desarrollo tecnológico del carbon activado para remediación del recurso hídrico

Introducción

El agua es un recurso vital para el desarrollo y sostenimiento de cualquier civilización. Alrededor del mundo se realizan diferentes aprovechamientos de este recurso, algunos de los cuales se hacen de manera insostenible; amenazando la disponibilidad y calidad de éste. Cabe resaltar que algunos procesos naturales también están implicados en el deterioro de la calidad del recurso.

Debido a que alrededor del mundo el acceso al agua se ha implementado como un derecho humano fundamental, se han adelantado estrategias para facilitar el acceso a ésta, teniendo en cuenta que debe cumplir ciertos parámetros de calidad que la hacen aceptable para el consumo humano. De esta manera, se genera la necesidad de diseñar técnicas de tratamiento del agua que sean eficientes, aplicables en cualquier lugar y de bajo costo.

El carbon activado es un material poroso, que gracias a su gran capacidad de adsorción, ha tomado protagonismo en los procesos donde se desean eliminar compuestos no deseados presentes en las fuentes hídricas destinadas al aprovechamiento. En ese orden de ideas, este escrito resume el panorama de la problemática ambiental en torno al uso insostenible del recurso hídrico alrededor del mundo, centrando la atención en la principal fuente hídrica que abastece la ciudad de Ibagué: el río Combeima. Posteriormente se abordan temas relacionados al carbón activado, su mecanismo de acción y los diferentes avances tecnológicos que han permitido impulsar la efectividad de este material adsorbente en la remediación del recurso hídrico. Y así, dimensionar el potencial que tiene este material en el tratamiento de aguas tanto residuales como naturales.

DESARROLLO TECNOLOGICO DEL CARBON ACTIVADO PARA LA REMEDIACIÓN DE PROBLEMATICAS AMBIENTALES RELACIONADAS CON EL RECURSO HÍDRICO.

El agua

El agua es un recurso natural de extrema importancia para el establecimiento, desarrollo y sostenimiento de gran parte de los seres vivos que habitan el planeta Tierra. Este recurso se distribuye por todas partes del planeta: Glaciares, océanos, ríos, bajo el suelo e incluso al interior de organismos como plantas, animales y microorganismos (ver figura 1). A pesar de ser abundante, sólo una pequeña parte del recurso (2.5%) puede ser destinada al uso más importante: consumo humano (USGS, 2015).

Como especie, el ser humano ha hecho uso de este recurso natural para satisfacer sus necesidades, impulsar su desarrollo y al mismo tiempo mejorar su calidad de vida. Por estas razones, durante los años 2010-2012, la Organización de Naciones Unidas (ONU) emitió una serie de resoluciones (A/RES/64/292, A/HRC/RES/15/9, A/HRC/RES/16/2, A/HRC/RES/18/1) adoptadas por el VI Foro Mundial del Agua para declarar que el acceso a este recurso es un derecho humano fundamental (CAF, 2015).

Figura 1. Distribución del agua en el planeta.
FUENTE: USGS, 2015

A pesar de la existencia de estos marcos legales, en la actualidad no todas las poblaciones tienen acceso al vital líquido. Mientras que aquellas que sí tienen acceso al agua, la están deteriorando. Debido a que el aprovechamiento del recurso hídrico se viene realizando sin tener en cuenta importantes factores intrínsecos como: tasa de renovación, disponibilidad, calidad del recurso y, extrínsecos como el aumento acelerado de la población (Morales & Orjuela, 1991). Lo anterior supone una amenaza grave para el recurso hídrico, ya que la demanda aumentará continuamente, volviendo insostenible el uso de las fuentes hídricas.

USOS DEL AGUA

Diariamente, en los lugares del planeta donde es posible, se está captando agua de fuentes superficiales y subterráneas para ser usadas en las diferentes actividades diarias del ser humano. Como se aprecia en la figura 2, el recurso es usado en procesos inherentes al mantenimiento de una sociedad. Dentro de estos usos se contempla el líquido destinado a la producción de alimento (agricultura, ganadería, acuicultura), la producción de energía, la obtención de recursos (minería), la fabricación de productos (industria), el uso doméstico y el suministro público.

Figura 2. Fuente y uso del agua total en Estados Unidos durante 2010.

FUENTE: USGS, 2015

Cuando se analizan las cifras acerca de la cantidad de agua destinada a cada actividad, se evidencia una problemática relacionada con la pequeña proporción del recurso destinado al consumo humano en comparación a la cantidad usada en la industria minero-energética. Este conflicto en el uso del agua se agudiza más cada día, a medida que incrementa la población y la disponibilidad del recurso disminuye (Guevara, 2014).

Contaminación del recurso hídrico

El ciclo hidrológico se desarrolla en los 3 compartimentos (litosfera, hidrosfera, atmosfera), estando éstos muy ligados entre sí. Al mismo tiempo están siendo impactados por la actividad antrópica, por lo cual las características físico-químicas y biológicas de los cuerpos de agua se alteran, llevando a la perdida de la calidad del recurso hídrico (Guevara et. al., 2014). Esto desencadena problemas de contaminación, que han sido reportados en diferentes lugares del mundo.

Por ejemplo, en Bulgaria el río Sazliika tiene elevadas concentraciones de compuestos orgánicos derivados de la actividad agrícola (Zhelev et. al., 2013), mientras que la represa Studen Kladenets presenta contaminación por los metales Plomo y Zinc a causa de la actividad industrial (Zhelev et. al., 2014). En ambos casos los investigadores pudieron evidenciar los efectos negativos de estas condiciones sobre las poblaciones de anuros, lo cual resalta que todos los organismos dependientes del agua son susceptibles a cambios cuando ésta se deteriore.

De igual manera, otras actividades como la deforestación, el cambio en la cobertura del suelo llevan a la perdida de los servicios ambientales; esenciales para contrarrestar los efectos de la actividad antrópica (Ruiz-Soto, 2007). Por ende, en las épocas de lluvia los procesos erosivos y el aumento de la escorrentía se favorecerán; promoviendo la eutrofización de fuentes hídricas superficiales (dos Santos et. al., 2006), que en algunos casos ha sido perjudicial para la supervivencia de poblaciones de anuros (Peltzer et. al., 2008)

Por su parte, la escorrentía asociada a la actividad urbana es otra fuente importante de contaminantes, entre los que se destacan: metales pesados como Plomo y Cadmio (Zafra et. al., 2007). Por otro lado, el agua residual de origen doméstico o de rellenos sanitarios representa aportes relevantes de compuestos orgánicos y metales pesados en Brasil (dos Santos et. al., 2006; Cavallet et. al., 2013).

La estrecha relación entre hidrósfera y litosfera da pie
a que la contaminación del agua pueda a afectar el suelo, como en el
Golfo de Paria – Trinidad, donde los metales en disolución, por
afinidad, se acumulaban en suelos ricos en arcilla (Ragbirsingh & Norville,
2005). El desarrollo de la agricultura intensiva se ha configurado en otra amenaza
importante para las fuentes hídricas, especialmente por el uso de agroquímicos
(Ramalho et. al., 2000). Otro aspecto a tener en cuenta es que la litosfera
sirve como reserva de cuerpos de agua subterráneos. La contaminación
de estas fuentes hídricas se ha reportado en lugares como: Maharashtra,
India (Golekar et. al., 2013), Buenos Aires, Argentina (Silva Busso & Santa
Cruz, 2003) y Ondo, Nigeria (Oyedotun & Obatoyinbo, 2012); casos en los cuales
los contaminantes (metales pesados, cationes y aniones) son de origen antrópico.

Situación actual en Colombia

De manera independiente, cada país vela por la disponibilidad, calidad y tratamiento del recurso hídrico a través de sus propios marcos jurídicos. En el caso de Colombia, inicialmente el agua no fue reconocida expresamente como derecho fundamental. Sin embargo, en la Constitución Política de 1991 aparecieron algunos artículos relacionados con el agua como servicio público (Art. 365, 366, 367, 368). Posteriormente, a través de la Corte Constitucional se estableció el agua como derecho fundamental mediante algunas sentencias: T-578 de 1992, T-140 de 1994, T-207 de 1995. Finalmente, en el 2011 se implementó la sentencia T-740 donde se señaló que, aparte de la disponibilidad y acceso, también debe asegurarse la calidad del recurso hídrico. Gracias a estos esfuerzos, el 93% de la población colombiana tiene acceso al agua (CAF, 2015).

Caso Combeima: Problemática local

El río Combeima es la fuente hídrica principal de Ibagué; encargado de abastecer de agua a 5 comunas con 112 barrios, 5 corregimientos y 40 veredas (Leonel, 2000), además, esta cuenca presta valiosos servicios ambientales a escala local y regional (El Tiempo, 2005). Se origina a una altura superior a los 5000 msnm, en los glaciares del Nevado del Tolima. Por ser un río de origen glaciar, se encuentra amenazado por fenómenos naturales como el Cambio Climático. Esta problemática se refleja en la continua contracción de los glaciares; impactando directamente sobre la disponibilidad y calidad del agua de las ciudades dependientes de ríos andinos (Ruiz-Soto, 2007).

Ante este panorama, la cuenca del río Combeima fue priorizada para establecer planes de ordenamiento e intervención en base a sus condiciones de riesgo y de impacto sobre la población; lo cual se estableció mediante el artículo 2 del Decreto 1480 de 2007. De esta manera, las autoridades ambientales han adelantado esfuerzos para asegurar el abastecimiento y calidad de agua para Ibagué a través de la formulación del documento CONPES 3570 (CONPES, 2009). De igual manera, investigaciones como la de Muñoz (2015), han permitido identificar que las microcuencas La Plata y Cay, tributarias de la cuenca Combeima, son esenciales para la conservación del recurso hídrico de la ciudad de Ibagué.

A pesar de éstos esfuerzos, la calidad del río Combeima viene deteriorándose debido a las diferentes actividades realizadas sobre la cuenca (ver tabla 1). Lo anterior pudo ser evidenciado por Tinoco (2006), durante el periodo comprendido entre 2003-2005, en el cual la calidad del agua se redujo progresivamente desde la zona de rural de Juntas hasta la zona periurbana del Totumo. Otras actividades antrópicas como los cambios de cobertura y uso del suelo realizados en las últimas décadas (Pérez & Bosque, 2008; Rodríguez & Benavides, 2014), han desfavorecido la persistencia de los servicios ambientales; afectando los procesos naturales de regulación del recurso hídrico (Guevara, 2014). Es importante mencionar que estos procesos productivos (agricultura, industria, extracción de materia prima) han causado problemáticas ambientales ya que los modelos económicos y estrategias de aprovechamiento son insostenibles bajo el contexto ecológico y social de la cuenca del río Combeima (Leonel & Paez, 2000).

Tabla 1. Uso del agua del río Combeima en diferentes zonas. FUENTE: Tinoco, 2006

En ese orden de ideas, es necesario apoyar diferentes iniciativas que faciliten la disponibilidad y acceso del recurso hídrico para la población urbana y rural de Ibagué. También es importante implementar nuevas estrategias que permitan mejorar la calidad del agua del río Combeima, y así disminuir los costos de tratamiento y potabilización. En este sentido, el carbón activado representa una herramienta útil y eficaz gracias a su capacidad de adsorción, selectividad inducida y producción a bajo costo (Bandosz, 2006).

El carbón activado

El carbón activado (CA) consiste en un material compuesto principalmente por Carbono; átomo que posee una gran capacidad de unirse a sí mismo y a otros elementos. Esto se debe a que la estructura atómica del C es variable (1s2, 2s2, 2p2), influyendo en la afinidad del átomo de C, y por ende, en la estructura del compuesto resultante (Menéndez-Díaz & Martín-Gullón, 2006). En el caso del CA, la estructura atómica es sp2 ya que se obtiene a partir de la activación de materiales con estructura similar al grafito (ver figura 3).

Figura 3. Obtención de CA a partir de materiales
carbonosos no grafitizables. FUENTE: Menéndez-Díaz & Martín-Gullón,
2006

Al final de dicho proceso se obtiene una mezcla de cristales similares al grafito y de complejos aromáticos-alifáticos desordenados, conformando material poroso (Menéndez-Díaz & Martín-Gullón, 2006). Dicha porosidad produce una extensa superficie interna donde se lleva a cabo el fenómeno físico de adsorción (Largitte et. al., 2016). Es importante resaltar que existen diferentes tamaños de poro: macroporos (d > 50nm), mesoporos (d > 2nm – 50nm) y microporos (d < 2nm), y que la distribución de éstos, determina la capacidad de adsorción del CA (Foo et. al., 2013). En dicha propiedad también influye la composición de la superficie del carbón activado, ya que por afinidad, se unen diferentes grupos funcionales que modifican la interacción del CA con los adsorbatos de interés.

Producción de CA

El material adsorbente conocido como CA se produce a partir de materiales carbonosos que son sometidos a condiciones específicas para activar el carbón. La finalidad del proceso de activación es remover la masa sólida, al mismo tiempo que se generan los poros donde solía estar dicha masa. La materia prima usada en estos procesos incluye los materiales carbonosos como madera (Zhang et. al., 2015), residuos vegetales (Foo et. al., 2013), y frutos o sus partes (Aboua et. al., 2015). Estos materiales son convertidos en CA a través de dos procesos: activación térmica y activación química.

Activación térmica: Proceso realizado en dos pasos. Primero se realiza la carbonización del material a muy altas temperaturas. Posteriormente se hace la activación, donde se le suministra un agente oxidante en estado gaseoso al material resultante del paso anterior. En esta parte del ciclo se generan los poros característicos del CA.

Activación química: En este proceso solo se realiza un paso. Inicialmente la materia prima es impregnada con un agente químico (ZnCl2, H3PO4), para que luego sea sometida al proceso de carbonización. Es importante mencionar que, al finalizar el procedimiento, se debe lavar el CA para eliminar los excesos del agente químico usado.

De esta manera se pueden obtener materiales adsorbentes a un costo de producción bajo, ya que la materia prima usualmente se genera en otras actividades productivas donde se considera residuo, como en el caso del bagazo de caña de azúcar (Foo et. al., 2013). Cabe resaltar que la tasa de activación está condicionada por las características propias del precursor y su interacción con el agente de activación (Menéndez-Díaz & Martín-Gullón, 2006).

USOS DEL CA

Las antiguas civilizaciones humanas, como Egipto y Sumeria, conocían la propiedad de adsorción que tienen los materiales carbonosos. Ellos hacían uso del carbón vegetal para reducir los niveles de Cobre y Zinc y Estaño producidos durante la manufactura del bronce. Sin embargo, la primera aplicación oficial de CA por parte de la industria se presentó en Inglaterra en 1974; su objetivo era reducir los niveles de colorantes derivados de la producción de azúcar (Menéndez-Díaz & Martín-Gullón, 2006).

En la actualidad, el CA activado es usado en tratamientos de agua para remover sabores y olores desagradables, compuestos orgánicos sintéticos y materia orgánica disuelta (Karanfil, 2006). Además, gracias al mejoramiento tecnológico del CA, éste ha logrado desarrollar afinidad por muchos compuestos orgánicos que amenazan la calidad del recurso hídrico (ver tabla 2). Al mismo tiempo el CA se ha usado como sustrato para el establecimiento y crecimiento de biofilms, que permiten desarrollar una actividad física y biológica que es mucho más eficiente en la remediación del agua (Çeçen & Aktas, 2012).

Tabla 2. Compuestos orgánicos que el CA puede adsorber. FUENTE: Çeçen & Aktas, 2012

Diferentes investigaciones han reportado la utilidad del CA en la remediación de aguas contaminadas con compuestos orgánicos. Ayotamuno et. al. (2006), usando CA granular y en polvo, lograron reducir en 96% y 99% respectivamente los niveles de petróleo en aguas subterráneas de Nigeria. De igual manera, el CA ha reportado muy buenos resultados en la adsorción de tintes industriales disueltos en agua como Azul de metileno y Naranja de metilo (Aboua et. al., 2015). Estos resultados reflejan el potencial del CA en la recuperación de la calidad del recurso hídrico.

Pero el CA no se limita de manera exclusiva a remover compuestos orgánicos; es capaz también de hacerlo con compuestos inorgánicos como los metales traza como Plomo (Largitte et. al., 2016), Cromo (Di Natale et. al., 2007), entre otros. Para lograr esto, los investigadores han tenido que inducir la afinidad del CA por estos compuestos. Para esto han usado diferentes estrategias, por ejemplo, Lalhmunsiama et. al. (2013) combinaron Oxido de Manganeso con CA y evidenciaron el potencial de este material para adsorber Cu(II) y Pb(II) de ambientes acuáticos contaminados con éstos. Así mismo, cuando el CA es impregnado con Fe3+, la capacidad de adsorción de Arsénico, Hierro y Manganeso aumenta (Mondal et. al., 2007). En otra investigación, Park & Yang (2003), reportaron una actividad antibacterial sobre E. coli y bacteriostática sobre S. aureus, mediante la combinación de CA y Plata.

Los últimos avances realizados en la optimización del CA apuntan a que éste no solo adsorba los contaminantes sino que también sea capaz de degradarlos en compuestos menos tóxicos. Mercier et. al. (2014), reportaron una situación similar donde el CA, aparte de adsorber los contaminantes (PCBs), sirvió de sustrato para el crecimiento de un biofilm bacteriano que fue capaz de biotransformar dichos compuestos peligrosos. Es importante mencionar que el CA también ha sido capaz de remover contaminantes orgánicos e inorgánicos de los sedimentos; abriendo el campo a nuevas iniciativas de remediación (Josko et. al., 2013).

Pero para que éstas generen resultados adecuados, se debe tener en cuenta muchos factores como: la materia prima usada para el CA, la composición de su superficie, la proporción de los diferentes tamaños de poro e incluso el contenido orgánico e inorgánico del recurso a remediar (Karanfil, 2006).

Todos estos resultados previos permiten dimensionar que el CA es una herramienta útil, eficiente y versátil para ser empleada en la remediación de las fuentes hídricas y del suelo afectado por la actividad antrópica. Así que este potencial del CA debería ser explorado por los diferentes sectores productivos de la región, quienes aportan contaminantes a las aguas del río Combeima; afectando su disponibilidad y calidad, y por ende, la calidad de vida de los habitantes de la ciudad de Ibagué.

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Autor:

Daniel Fernando Molina Campos

Estudiante de Biología

Facultad de Ciencias – Programa de Biología

UNIVERSIDAD DEL TOLIMA

2015