Revista Tendencias en Docencia Año 6 e Investigación en Química 2020 Número 6 Análisis de la remoción de colorante en agua, aplicando destilación solar Chávez Sánchez Sandra*, Terres Peña Hilario, Lizardi Ramos Arturo, López Callejas Raymundo, Araceli Lara Valdivia, Vaca Mier Mabel Universidad Auto noma Metropolitana, Departamento de Energía . Av. San Pablo No. 180, Azcapotzalco, Ciudad de Me xico, C.P. 02200. Me xico. *Autor para correspondencia: scs@azc.uam.mx Recibido: 28/febrero/2020 RESUMEN En este trabajo, se analiza el proceso de destilación solar de agua con los colorantes Rojo 28, Rojo 81, Azul 21, Azul 198 y Negro, para los cuales se realizaron pruebas Aceptado: experimentales, empleando un destilador solar tipo caseta, en el cual se obtuvieron 11/diciembre/2020 mediciones de temperatura y radiación solar, así mismo se recolectaron muestras de destilado al inicio, a la mitad de la prueba y al finalizar la misma, para analizar pH, turbidez, y absortividad mediante espectrofotometría. Los resultados de laboratorio indican que el pH fue de 5 en promedio para cada prueba, por otra parte, la turbidez se redujo en un 70% alcanzando 0.7 NTU en promedio y finalmente, la concentración Palabras clave: de colorante al finalizar las pruebas fue de 1.4x10-3 mol/L, 1.5x10-3 mol/L, 9.3x10-4 Destilacio n solar, mol/L, 7.7x10-4 mol/L y 1x10-3 mol/L para: Rojo 28, Rojo 81, Azul 21, Azul 198 y alcohol, Negro B5 respectivamente, lo cual indica que la presencia de colorante en cada radiacio n solar destilados se removió en un 99%. Keywords: ABSTRACT Solar still, alcohol, In this work, the process of solar water distillation is analyzed with the Red 28, Red solar radiation 81, Blue 21, Blue 198 and Black dyes, for which experimental tests were performed, using a solar still, in which temperature and solar radiation measurements were obtained, likewise, distillate samples were collected at the beginning, at the middle of the test and at the end of the test, to analyze pH, turbidity, and absorptivity by spectrophotometry. The laboratory results indicate that the pH was 5 on average for each test, on the other hand the turbidity was reduced by 70% reaching 0.7 NTU on average and finally the dye concentration at the end of the tests was 1.4x10-3 mol/L, 1.5x10-3 mol/L, 9.3x10-4 mol/L, 7.7x10-4 mol/L and 1x10-3 mol/L for: Red 28, Red 81, Blue 21, Blue 198 and Black B5 respectively, which indicates that the presence of dye in each distillates was removed by 99%. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 6(6) 130, 2020 Revista Tendencias en Docencia Año 6 e Investigación en Química 2020 Número 6 Introducción tejidos de punto que contuvieran este colorante. Encontraron que las concentraciones óptimas para la La energía solar es definida como la energía radiante degradación del colorante naranja reactivo 84 en una producida por el Sol como resultado de reacciones concentración de 340 mg/L son: 40 mg/L de dióxido de nucleares de fusión que llegan a la Tierra a través del titanio y 2ml/L de peróxido de hidrógeno sin inyección espacio. No obstante, la radiación solar puede ser de aire, a través del proceso de Fenton y Foto-Fenton, el empleada en una gran variedad de procesos industriales colorante se oxida con una combinación de peróxido de que demanden energía térmica tales como la generación hidrógeno y sulfato ferroso (reactivo Fenton), en de vapor, lavado, secado, destilación y pasteurización, condiciones ácidas. El agente responsable de la oxidación (Estrada y Samperio, 2010), así la energía solar es una es el radical hidroxilo, el cual es muy reactivo; que se buena alternativa para el tratamiento de aguas forma por la descomposición catalítica del peróxido de residuales, las cuales tienen una composición variada, hidrógeno en un medio ácido. Los radicales hidroxilo por ejemplo: sustancias químicas disueltas o sólidos oxidan el tinte, y el compuesto formado se precipita con suspendidos en distintas concentraciones. Estas son el ion férrico y compuestos orgánicos. provenientes de las descargas de uso público urbano, doméstico, industrial, comercial, etc. Si este tipo de aguas Garcés et al. (2015) utilizan el dióxido de titanio (TiO2) son vertidas sin tratamiento, se ocasiona la como fotocatalizador, en la degradación de colorante contaminación de los cuerpos de agua superficiales. Se aplicando un colector solar cilindro parabólico, en el cual cree que a nivel mundial entre 85 y 95% del agua residual realizaron pruebas experimentales durante 8 horas, se descarga directamente a los ríos, lagos y océanos sin haciendo un análisis de color cada hora una vez iniciada recibir tratamiento previo (CONAGUA 2016), y más de la prueba. Como resultados encontraron que la mejor diez mil diferentes tipos de pigmentos y colorantes concentración de TIO2 es de 100 mg/L y 2% de H2O2, sintéticos son usados en diferentes industrias como la obteniendo un porcentaje de degradación del colorante textil, papelera, cosmética y farmacéutica, entre otras. de aproximadamente el 98%. Por otro lado, Blanco Muchas actividades industriales liberan grandes (2009), estudió el efluente textil por los procesos de cantidades de efluentes contaminadas con colorantes al Fenton (Fe (II)/H2O), Foto-Fenton (UV/Fe (II)/H2O2) y la ambiente. La principal fuente emisora de colorantes es la combinación de proceso biológico con Fenton, este industria textil (Anjaneyulu et al., 2005; Días et al., 2007). último resultó ser el más adecuado ya que se obtuvo la máxima reducción de DQO con un 85.6% y un 92.2% en Existen métodos que se utilizan en el tratamiento de la eliminación de COT. El análisis de la influencia de las aguas residuales con colorantes que pueden aplicarse de variables permitió obtener las condiciones de operación manera eficiente y se encuentran disponibles más favorables para todos los casos, tanto desde el punto comercialmente. Algunas tecnologías son altamente de vista técnico económico como ambiental, en base a la específicas y con costos elevados, por lo que no se aplican eficacia final del tratamiento y a la calidad del efluente para una amplia variedad de colorantes y no resuelven tratado. totalmente el problema de la decoloración, (Kuhad et al., Peláez (2013), estudió y analizó el tratamiento de 2004; Anjaneyulu et al., 2005). Algunos de los métodos adsorción, la utilización de desechos vegetales, ya sea efectivos que se han usado para remover colorantes son directamente como adsorbentes o como precursores la adsorción, transformación química, incineración, para la preparación de carbones activados, ozonación y fotocatálisis, aunque estas tecnologías disminuyendo la generación de residuos sólidos y resultan costosas (De Moraes et al., 2000). Los sistemas encontró que la remoción del color de los efluentes biológicos aplicados a la degradación de colorantes se textiles es posible mediante la utilización de adsorbentes consideran como una alternativa menos costosa y menos naturales, preparados a partir de residuos abundantes y agresiva con el ambiente. de fácil adquisición en la región donde se ubican las Así, el uso de energías renovables como lo es la energía fábricas textiles interesadas en la aplicación de un solar es una buena alternativa para el tratamiento de método eficiente y económico para el tratamiento de sus aguas residuales, a continuación, se muestran algunas efluentes. aportaciones sobre investigaciones en el tema. La evaluación de la calidad del agua se realiza conforme Garcés y Peñuela (2007), utilizaron un colector solar a la normatividad mexicana y los parámetros a evaluar cilíndrico parabólico compuesto para la investigación de están contemplados en la NOM-001-SEMARNAT-1996, la degradación del colorante naranja reactivo 84, para descargas en cuerpos nacionales, para las aguas seleccionaron las mejores condiciones de degradación y residuales que se descargan en el alcantarillado los mineralización de dicha investigación para ser aplicada parámetros a evaluar están contemplados en la NOM- en agua residual real de una industria de teñido de 002-SEMARNAT-1996. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 6(6) 131, 2020 Revista Tendencias en Docencia Año 6 e Investigación en Química 2020 Número 6 En la presente investigación se evaluaron los siguientes sellado con silicón para evitar fugas de vapor, la parámetros: Volumen destilado, turbidez y absorbancia radiación solar incide en el dispositivo y atraviesa la en la región visible, se evaluaron solamente estos superficie transparente, generándose el efecto parámetros considerando el uso que se le da al agua invernadero al tiempo que también retiene la humedad. residual estudiada. La radiación solar en contacto con el recipiente negro eleva la temperatura del recipiente, del agua en su Metodología interior y del aire favoreciendo la evaporación. De esta manera en el interior del destilador se crea una En este trabajo, se emplea el destilador solar más sencillo atmósfera muy cálida y saturada de humedad. El vapor que consiste en un recipiente cerrado con una cubierta de agua asciende por convección natural hasta tocar con transparente de vidrio de 3 mm de espesor y un ángulo la superficie transparente, que por estar en contacto con de inclinación de 40°, el cual permite el paso de la el exterior está a una temperatura más fría que el resto radiación solar. En el interior de la zona del destilador se del destilador. En esta superficie se condensa el agua encuentra un recipiente absorbedor (charola) de formando pequeñas gotas y conforme continúa el aluminio pintado de negro mate, donde se deposita el proceso y van aumentando de tamaño, se deslizan por fluido a destilar (agua residual textil), con un área de 0.36 2 gravedad hacia un recipiente donde se recoge el agua m , la capacidad máxima para este prototipo a destilar es destilada. Mientras dure la radiación solar y exista agua de 20 L. que destilar el proceso se mantiene. El recipiente absorbedor es colocado en una base de El destilador solar fue instrumentado mediante módulos vidrio de 6 mm, entre las paredes del recipiente ADAM, que sumado a una interface en LabView, se logran absorbedor y del soporte de vidrio de 6 mm, se tienen 4 registrar las temperaturas con termopares tipo K y la canaletas de vidrio de 3 mm con un ángulo de inclinación radiación solar con un piranómetro Eppley modelo 8-48, de 5° aproximadamente, de tal manera que el cada 10 minutos en un intervalo de tiempo de 10:00 a condensado que se adhiere a cada una de las paredes de 18:00 hrs, conjuntamente se midió el volumen destilado la cubierta de vidrio sea recolectado en las canaletas, en con ayuda de probetas graduadas. En la Figura 2, se la base del soporte de vidrio de 6 mm, se tienen dos muestra la ubicación de los termopares tipo K. barrenos en contra esquina con un diámetro de 9 mm, donde se coloca una manguera de plástico para la recolección de agua destilada, Figura 1. Figura 2. Ubicación de termopares. Una vista esquemática de la experimentación es mostrada en la Figura 3, donde el destilador solar es colocado y ubicado hacia el sur, esto con la finalidad de aprovechar la máxima energía y radiación del sol durante la experimentación. Figura 1. Destilador solar tipo caseta. El agua residual textil, proveniente del proceso de tintura que se lleva a cabo en las materias del área de Textiles y Acabados de la Escuela Superior de Ingeniería Textil (ESIT) del IPN, es colocada en la charola de aluminio, posteriormente se coloca la cubierta de vidrio y es Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 6(6) 132, 2020 Revista Tendencias en Docencia Año 6 e Investigación en Química 2020 Número 6 Figura 5. Volumen destilado. En la Figura 4, se observan las diferentes temperaturas y Figura 3. Destilador solar y equipo de instrumentación. radiación incidente que se midieron por medio del programa LabView, cabe mencionar que para las pruebas Se llevó a cabo la destilación de 5 muestras de agua experimentales con color Rojo 28, Rojo 81, Azul 198 y residual, las cuales contenían 3 L de los colorantes: Rojo Negro B5, tienen el mismo comportamiento, conforme va 28, Rojo 81, Azul 21, Azul 198 y Negro B5, para las cuales transcurriendo el tiempo va aumentando la radiación se realizó la medición del pH, para determinar la solar y a su vez la temperatura, alcanzando los máximos concentración de los iones de hidrógeno (+H) en el agua, de 12:00 a 15:00 hrs después de esa hora la radiación y cuanto mayor sea la concentración de los iones de temperatura van disminuyendo, también en todas las hidrógeno en el agua, menor será el valor del pH. Por pruebas la temperatura más alta es en la charola y la ejemplo, la norma 127-SSA1-1994, marca como límite temperatura más baja es en la superficie interior del máximo permisible para el agua potable entre 6.5 y 8.5. vidrio, esto es debido a que el material con el que está fabricado el contenedor absorbedor es aluminio y Debido a que la presencia de partículas en suspensión además está pintado de un color negro mate, lo que ocasiona menos transparencia, se realizó un estudio de permite que la mayor cantidad de radiación sea turbidez, cuanto mayor sea la cantidad de sólidos absorbida, por otro lado, la superficie del vidrio al estar suspendidos en el líquido, mayor será el grado de expuesto a la intemperie provoca que haya una mayor turbidez y menor será la calidad del agua, también se pérdida de calor. Se observa también que hay ciertas analizaron sus propiedades espectrofotométricas, variaciones en las temperaturas y esto es debido a que la midiendo la absorbancia (A) en la región visible y la radiación emitida cada 10 minutos es distinta. Por ende, longitud de onda máxima (MAX), para poder calcular la el volumen destilado para cada prueba es diferente, tal y absortividad molar, debido a que este es el parámetro como se muestra en la Figura 5, donde se observa que se que permite medir la cantidad de colorante presente en lograron recuperar 1428 ml, 1574 ml, 1461 ml, 1624 ml la muestra a analizar. y 1478 ml, para las pruebas con colorante Rojo 28, Rojo Resultados y discusión 81, Azul 21, Azul 198 y Negro B5 respectivamente, lo que corresponde a un 50% del volumen inicial. Los resultados que se obtuvieron experimentalmente, en el proceso de destilación solar de colorantes, son Por otra parte, al volumen destilado de cada prueba se le mostrados en la figura 4 y 5. midió el pH con un potenciómetro Conductronic PC18 previamente calibrado y la turbidez con un Turbidímetro HANNA. Tabla 1. Tabla 1. Turbidez y pH para cada colorante. 10:00 hrs 14:00 hrs 18:00 hrs Colorante Turbidez Turbidez Turbidez pH pH pH NTU NTU NTU Rojo 28 3.84 9.53 0.82 5.78 0.79 5.15 Rojo 81 1.47 7.82 0.79 5.2 0.7 4.2 Azul 21 2.61 9.21 0.97 5.89 0.79 5.26 Azul 198 3.05 8.79 1.07 5.39 0.75 5.13 Figura 4. Distribución de temperaturas y radiación solar para Negro 1.65 8.63 0.61 5.9 0.5 5.13 la prueba con colorante Azul 21. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 6(6) 133, 2020 Revista Tendencias en Docencia Año 6 e Investigación en Química 2020 Número 6 Como se muestra en la Tabla 1, en general para todas las depende de la concentración de moles que hay en un litro, pruebas la turbidez se redujo en un 70%, alcanzando 0.7 es decir a mayor concentración, mayor es la absorbancia, NTU, sin importar el tipo de color presente en la muestra, por consiguiente, al tener mayor concentración el Azul en cuanto al pH, inicialmente las muestras tenían un pH 21 que el Negro B5, la absorbancia máxima de este último ligeramente alcalino de 7.8 a 9.5, el cual conforme es menor. Además, en la Tabla 2, se observa la transcurrió la destilación se redujo en general hasta 5 concentración final del destilado siendo este de 1.4x10-3 siendo este ligeramente ácido. mol/L, 1.5x10-3 mol/L, 9.3x10-4 mol/L, 7.7x10-4 mol/L y 1x10-3 mol/L para: Rojo 28, Rojo 81, Azul 21, Azul 198 y Finalmente, En la Tabla 2, se muestran las propiedades Negro B5 respectivamente, lo cual indica que la presencia espectrofotométricas más importantes obtenidas de colorante en cada destilado se removió en un 99%. experimentalmente, de cada uno de los colorantes a partir de mediciones de absorbancia contra longitud de Conclusiones onda en la región visible del espectro electromagnético (de 400-700 nm), los valores de concentración (mol/L) y El proceso de descontaminación del agua residual absorbancia máxima corresponden a los destilados, proveniente de la industria textil, haciendo uso de las mientras que los datos de longitud de onda máxima y energías renovables, es muy factible ya que, mediante Épsilon (L/cm mol) pertenecen al agua de entrada. esta técnica, se pueden recuperar volúmenes de agua limpia, dado que la eficiencia del destilador es del 50%, Tabla 2. Propiedades de los colorantes. recuperándose 1.5 L de agua en promedio de los 3 L iniciales de muestra. Si el proceso de destilación solar se lleva a cabo en los meses más calurosos del año y en zonas donde las condiciones climatológicas sean propensas a temperaturas altas, los resultados obtenidos serán mejores, puesto que se tendrá mayor radiación lo que conlleva a obtener mayor volumen de destilado. 1393.3 Rojo 28 1.44E-03 560 2.00 1 Es posible obtener agua tratada de una mejor calidad al 3 1164.0 hacer uso de la destilación solar en el tratamiento del Rojo 81 1.48E-03 610 1.72 1 6 agua residual, puesto que el colorante es removido en un 2159.0 Azul 21 9.26E-04 590 2.00 1 99%, lo que permite que ésta pueda reusarse en principio 7 para satisfacer ciertas necesidades en la vida cotidiana, 1499.2 Azul 198 7.66E-04 620 1.15 1 2 toda vez que los parámetros medidos en el agua tratada Negro 1.01E-03 590 0.65 1 644.68 sean semejantes a los parámetros registrados en aguas superficiales, como son las aguas de: ríos y lagunas. Referencias Anianeyulu Y. Sridhara Ch.N., Dasary S. (2005). 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La absortividad Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 6(6) 134, 2020 Color Concentración mol/L Longitud de Onda Máxima Absorbancia Máxima Diámetro de la celda (cm) Épsilon L/cm mol Revista Tendencias en Docencia Año 6 e Investigación en Química 2020 Número 6 Estrada C.G.A., Samperio I.J. (2010). Energías Alternas: Kuhad R.C., Sood N. Tripathi K.K., Singh A., Ward O.P. Propuesta de Investigación y Desarrollo Tecnológico (2004). Developments in Microbial Methods for the para México. Ed. Academia Mexicana de Ciencias. Treatment of dye Effluents. Advances in Applied. Microbiology, 56, 185-213. Garcés G.L.F., Peñuela M.G.A. (2007). Tratamiento de las aguas residuales de una industria textil utilizando Pelaéz C.A.A. (2013). Alternativas de solución para el colector solar. Lasallista de investigación, 4, 24-31 tratamiento de efluentes textiles. Academia de Ingeniería, A.C., México. Garcés G.L.F., Hernández M.L., Peñuela G.A., Rodríguez R.A., Salazar P.J.A. (2015). 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