RESUMEN
Objetivo: El presente artículo de revisión tuvo como objetivo realizar una indagación bibliográfica de artículos científicos en revistas locales, nacionales e internacionales en el periodo de 2010 a 2019, con relación a las tecnologías no convencionales (biopolímeros, biorremediación y residuos agroindustriales) que se han empleado en la remoción de plomo (Pb), presente en aguas residuales sintéticas o industriales.
Metodología: La investigación adoptó un modelo investigativo de corte cualitativo, de tipo exploratorio. Los aspectos metodológicos correspondieron a la indagación y elección de artículos científicos (para cada una de las tecnologías no convencionales seleccionadas) del periodo 2010-2019, teniendo como criterio palabras clave; posteriormente, se realizó un análisis de esos contenidos y se diligenciaron dos matrices realizadas en Excel.
Resultados: La revisión bibliográfica permitió observar que: en primer lugar, con relación a las tecnologías no convencionales con mayor tendencia en investigación, empleadas en la remoción de plomo, se encuentran los residuos agroindustriales, seguidos por la biorremediación y por último los biopolímeros, para lo cual se hallaron y seleccionaron 19 para el primero, 13 para el segundo y 9 para el último. De igual forma, los países que han reportado resultados investigativos alrededor de las tecnologías no convencionales seleccionadas, corresponden a: China, Colombia, Corea, Egipto, España, Francia, India, Indonesia, Irán, Nigeria, Malasia, México, Perú, Romania, Serbia, Singapur y Zimbabue; en contraste, las publicaciones seleccionadas se encuentran en su gran mayoría ubicadas a nivel internacional. Por último, los porcentajes de remoción más alto del orden del 100 % se presentaron con los residuos agroindustriales (para lo cual se han investigado 24); seguido del 98 %, con la biorremediación (donde se han investigado algas rojas y seis cepas de bacterias), y finalmente, los biopolímeros, con 95,32 % (donde el quitosano, el almidón, la queratina, las conchas de caracol y las plumas, se han investigado).
Conclusiones: Las tecnologías no convencionales con mayor tendencia en investigación y aplicación en matrices de aguas residuales industriales, de acuerdo con periodo 2010-2019, corresponden a los residuos agroindustriales; de igual forma, la mayoría de aguas residuales en las que han sido aplicados estos métodos corresponde a las sintéticas, lo que conlleva a exponer que estas deben comenzar a ser implementadas a nivel industrial o un pilotaje, para observar su eficiencia en la remoción de metales pesados, y de forma particular el plomo.
Palabras clave: aguas residuales, plomo, remoción, tecnologías no convencionales.
ABSTRACT
Objective: The objective of this review article was to carry out a bibliographic inquiry at the level of scientific articles in local, national and international journals in the period from 2010 to 2019, in relation to unconventional technologies (biopolymers, bioremediation, and agroindustrial waste) that they have been used in the removal of lead (Pb), present in synthetic and / or industrial wastewater.
Methodology: The research adopted a qualitative, investigative model of exploratory type. The methodological aspects carried out corresponded to the inquiry and choice of scientific articles (for each of the unconventional technologies selected) in the period from 2010 to 2019, based on keywords; subsequently, an analysis of their content was carried out and two matrices performed in Excel were filled out.
Results: The bibliographic review carried out allowed us to observe that: firstly, in relation to the unconventional technologies with the greatest tendency in research, used in the removal of lead, agroindustrial residues are found, followed by bioremediation and finally biopolymers, for which they found and selected 19 for the first, 13 for the second, and for the last nine. Similarly, the countries that have carried out and reported research results around the selected unconventional technologies correspond to: China, Colombia, Korea, Egypt, Spain, France, India, Indonesia, Iran, Nigeria, Malaysia, Mexico, Peru, Romania, Serbia, Singapore and Zimbabwe; in contrast, the selected publications are mostly located internationally. Finally, the highest removal percentages of the order of 100% were presented with agroindustrial wastes (for which 24 have been investigated), followed by 98% with bioremediation (where red algae and six strains of bacteria have been investigated) and finally, biopolymers, with 95.32% (where chitosan, starch, keratin, snail shells and feathers, have been investigated).
Conclusions: The unconventional technologies with greater tendency in research and application in industrial wastewater matrices, according to the 2010-2019 period, correspond to agroindustrial waste; In the same way, the majority of wastewater in which these types of methods have been applied correspond to the synthetic ones, which leads to exposing that these must begin to be implemented at an industrial level or a pilot, to observe their efficiency in the removal of heavy metals, and particularly lead.
Keywords: Wastewater, lead, removal, unconventional technologies.
Revisión de tema
Tecnologías no convencionales para la remoción de plomo presente en aguas residuales: una revisión bibliográfica 2010-2019
Unconventional technologies for the removal of lead present in wastewater: a 2010-2019 bibliographical review
Dora Luz Gómez Aguilar dgomez@pedagogica.edu.co
Javier Andrés Esteban Muñoz dqu_aestebanm214@pedagogica.edu.co
Deisy Baracaldo Guzmán dbaracaldo@pedagogica.edu.co
Recepción: 01 Octubre 2019
Aprobación: 05 Febrero 2020
Uno de los retos del siglo XXI es mitigar el impacto ambiental producido por los metales pesados provenientes de actividades antropogénicas de sectores industriales, como: explotaciones mineras, fotografía, cerámicas, pinturas, galvanoplastia, electrónica y curtiembres, entre otras (León, Córdoba y Carreño, 2016; Gómez et al., 2019). Esto se debe a que dichos contaminantes inorgánicos no se biodegradan, se bioacumulan y se biomagnifican a lo largo de la cadena trófica, trayendo impactos negativos al ecosistema (Londoño-Franco, Londoño-Muñoz y Muñoz-García, 2016).
De acuerdo con lo anterior, según la Organización Mundial de la Salud (OMS, 2011) son trece los metales pesados con mayor incidencia en la salud y en el ambiente, entre los cuales se encuentran: Hg, Pb, Cr, Mn, Zn, Cu, Co, Ti, As, Cd, Ni, Sn y Fe. Por esta razón, universidades como Columbia y Yale, desde 1999, han desarrollado sistemas de evaluación de desempeño ambiental, entre los cuales se encuentra el indicador de desempeño ambiental (EPI, por su sigla en inglés), el cual permite medir las políticas ambientales de 180 países, los cuales deben relacionarse con las metas propuestas de los Objetivos del Desarrollo Sostenible, promulgados en la Agenda 2030 (Ojeda, Spoor y Estrada, 2017).
Por esta razón, los metales pesados se han convertido de uno de los 24 indicadores del EPI, que forman parte del objetivo y de la política de salud ambiental; de ellos, el único metal que se tiene referenciado por su alto grado de toxicidad y por las repercusiones en la salud, en contraste con los trece catalogados por la OMS, corresponde al plomo. Esto se debe a que, dicho contaminante inorgánico ha sido clasificado como una amenaza ambiental (por su prevalencia en el agua, suelo y aire) y la salud de mujeres embarazadas y niños (Wendling et al., 2018), y la medición en la exposición a este metal se emplea el número de años de vida ajustados por discapacidad estandarizados por edad (AVAD) que se pierden por cada 100 000 personas, debido a este riesgo. Teniendo en cuenta este último aspecto, y lo mencionado anteriormente, la población infantil es sensible a esta sustancia, dado que puede absorber de cuatro a cinco veces más que un adulto, lo cual puede ocasionar problemas cognitivos como retraso metal, dificultades de aprendizaje, trastornos de conducta, anemia, daño en los riñones y el cerebro, debilidad muscular. Para el caso de las mujeres en etapa de embarazo, puede llevar a malformaciones fetales, nacimientos prematuros e, incluso, a producir abortos espontáneos (Abadin et al., 2007; Wendling et al., 2018).
El plomo (Pb) es un metal de número atómico 82, masa atómica 207,20 g/mol, ubicado en el grupo 14, el cual tiene 38 isotopos, 2 estados de oxidación usuales, 2+ y 4+ y 514 minerales a nivel de la corteza terrestre que contienen este elemento en su composición química (Barthelmy, 2014). A nivel de sus aplicaciones se encuentran: baterías, metalurgia, industria farmacéutica, pigmentos, tuberías (ATSDR, 2007).
En cuanto a las repercusiones a la salud que puede ocasionar una exposición prolongada al plomo se encuentran: daño en los riñones, el sistema nervioso central (SNC) y el esperma, hemorragias retinianas y neuritis del nervio óptico, abortos espontáneos, y efectos negativos sobre el aprendizaje y el comportamiento en los niños (ATSDR, 2007; Abadin et al., 2007). En contraste, una de las enfermedades profesionales desarrollada por este metal, y que en el contexto de Colombia se encuentra contemplada en el Decreto 2566 de 2009, corresponde al saturnismo.
Con relación a los límites máximos permisibles (LMP - mg/L Pb), para el caso de las aguas residuales, se tienen establecidos particularmente para las industrias de curtiembres a nivel de algunos países del continente sur americano, así: Guayaquil y Guatemala (0,2) (Legislación Secundaria del Ministerio de Ambiente de Guayaquil, 2004; Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales de Guatemala, 2005); Perú (0,5) (Sedapal, 2009); para Colombia, Venezuela y Brasil no se contempla en las regulaciones correspondientes.
Para el caso de EE. UU., el LMP es de 0,10 mg/L Pb (U.S. Environmental Protection Agency, 2014); en el continente europeo, Finlandia, Grecia e Indonesia no lo contemplan en sus regulaciones, a diferencia de Madrid y Bangladesh que exponen un LMP de 1,0 y 0,1, respectivamente (Consejería de Presidencia y Portavocía del Gobierno Comunidad de Madrid, 2005; UNEP, 1999).
En complemento, atendiendo al EPI, cabe indicar que de acuerdo con la métrica de 2018 dada por la Universidad de Yale, los países que lideran el manejo adecuado de la contaminación producida por el plomo están: Suecia, Alemania, Japón y Finlandia; esto se debe a que han mejorado las regulaciones y mecanismos de monitoreo en la salud humana y ambiental, a diferencia de países como Afganistán, Haití, Pakistán y Bangladesh, que se encuentran catalogados como rezagados en la exposición a Pb, dado que en sus actividades industriales continúan empleando este metal, sin implementar políticas rigurosas que conlleven al aseguramiento de la salud de las personas expuestas, así como el manejo de los residuos generados y que incorporan dicho metal (Wendling et al., 2018).
Por otra parte, entre los métodos de remoción reportados para el Pb se encuentran las tecnologías convencionales, como: adsorción con carbón activado, precipitación química (en soluciones alcalinas, precipitando como Pb(OH)4) y coagulantes inorgánicos. De igual forma, las tecnologías avanzadas empleadas son: filtración por membrana, ultrafiltración, microfiltración, electrodiálisis, electrocoagulación, ósmosis inversa, intercambio iónico y cementación (Caviedes et al., 2015; García V., García U. de Plaza, 2016). Estas dos técnicas, aunque son muy eficientes, presentan también ciertas desventajas como: alto costo en su implementación y mantenimiento en sistemas de tratamiento de aguas residuales (STAR), generan una cantidad considerable de lodos contaminados con el metal removido y, a su vez, no son asequibles económicamente para las diferentes industrias que empleen este metal en sus procesos.
Por esta razón, la presente investigación se enfocó en realizar una revisión bibliográfica entre el periodo de 2010 a 2019, con relación a las tecnologías no convencionales (también conocidas como verdes o limpias, (Amaringo y Hormaza, 2018), que se han empleado para la remoción de Pb (II), presente en aguas residuales sintéticas o industriales. El interés de los autores por indagar estas técnicas se debe a que, en comparación con los métodos anteriormente mencionados, son de fácil adquisición, implementación y mantenimiento en los STAR, no generan un volumen de lodo considerable yasu vez son biodegradables, lo cual permite que sean reutilizados como compostaje; entre los métodos no convencionales indagados se encuentran: biopolímeros, biorremediación y residuos agroindustriales; esto con el fin de analizar su aplicación en matrices reales.
Metodología: La investigación llevada a cabo fue de tipo exploratoria-cualitativa, dado que los autores realizaron una revisión bibliográfica.
Los criterios de búsqueda de artículos tuvieron presentes las siguientes palabras clave: tecnología no convencional, plomo, absorción, remoción, biopolímeros, biorremediación y residuos agroindustriales. Posteriormente, se elaboraron dos matrices en Excel para analizar los contenidos de acuerdo con los escritos seleccionados; para la primera matriz, se observó año del artículo, revista, país, autor(es), tipo de tecnología no convencional, fuente bibliográfica; por último, para la segunda matriz, los aspectos a analizar correspondieron a: tipo de tecnología no convencional, especie química, tipo y volumen de agua residual, concentración inicial del contaminante, pH óptimo de remoción, tiempo de contacto óptimo, temperatura, tamaño de partícula, dosis, agitación, modificación química, modelo cinético e isoterma de adsorción, capacidad máxima de adsorción y porcentaje de eficiencia.
De conformidad con lo expuesto, en la tabla 1 se observa que los países que han reportado más investigaciones en torno a los biopolímeros, como tecnologías no convencionales en la remoción de plomo presente en aguas residuales, corresponden a India, Malasia, China, Singapur y Nigeria; de igual forma, los reportes investigativos se han expuesto en revistas internacionales.
De acuerdo con los resultados expuestos en las tablas 1 y 2, y según la revisión bibliográfica realizada entre 2010 y 2019, correspondiente a artículos científicos relacionados con la remoción de Pb empleando biopolímeros, se seleccionaron nueve documentos.
Dentro de los biopolímeros que se han investigado, de esos nueve, se encuentran cinco artículos relacionados con quitosano; tres de ellos con modificación química donde la eficiencia de remoción osciló entre 95 % a 95,3 %, mientras que el quitosano sin modificación química la eficiencia fue del 80 %,lo que indica que las modificaciones químicas mejoraron la eficiencia por encima de un 15%.
Adicionalmente, las capacidades de máxima adsorción fueron más altas también con el quitosano modificado entre 182,5 a 189 mg/g.
Por otro lado, dos artículos, de los nueve seleccionados, relacionaron a la queratina con porcentajes de remoción del 93,5%, con una capacidad de máxima adsorción entre 32,36 y 70,42 mg/g; los valores difirieron, dado que las dosis empleadas del bioadsorbente fueron de 1 g/l y 6 g/l, respectivamente.
Por último, los dos artículos restantes hacen referencia a dos biopolímeros como el almidón y la gelatina con polietilenimina, cuyos porcentajes de remoción corresponden al 80 % y 89,9 %, respectivamente, y la capacidad de máxima adsorción solo fue reportada en la gelatina modificada con un valor de 80,6 mg/g.
Cabe resaltar que las metodologías investigativas dilucidadas en los reportes muestran su aplicación en matrices de aguas residuales sintéticas. En la tabla 3. se observa que los países que han reportado más investigaciones en torno a la biorremediación, como tecnologías no convencionales en la remoción de plomo presente en aguas residuales, son: India, China, Colombia, Corea, Egipto, España, Irán; de igual forma, los reportes investigativos se han expuesto en revistas internacionales y una nacional.
De acuerdo con los resultados de las tablas 3 y 4, de la revisión bibliográfica realizada entre 2010 y 2019, correspondiente a artículos científicos relacionados a la remoción de plomo empleando la biorremediación, se seleccionaron doce. De estos, seis hacen referencia a investigaciones con algas rojas, cinco a bacterias y los restantes a levaduras y hongos.
En cuanto a las eficiencias reportadas en algas, se encontró que estas oscilan entre el 87 % y 97,3 %, mientras que a nivel de las bacterias el intervalo se encuentra entre el 0 % al 98 %, donde cero se reportó con la especie Brevibacterium sp. y el 98 % con la Bacillus licheniformis.
Por último, con relación al parámetro de capacidad de máxima absorción el que reportó un mayor valor fue con la bacteria Klebsiella sp con 140,19 mg*g-1. Cabe resaltar que las metodologías investigativas dilucidadas en los reportes investigativos muestran su aplicación en matrices de aguas residuales sintéticas.
En la tabla 5, se observa que los países que han reportado más investigaciones en torno a los residuos agroindustriales, como tecnologías no convencionales en la remoción de plomo presente en aguas residuales, corresponden a Colombia, Nigeria, Perú, India, Indonesia, Francia, Irán, Malasia, México, Romania, Serbia y Zimbabue. De igual forma, los reportes investigativos se han expuesto en revistas internacionales y nacionales, y que este tipo de tecnologías son las de más tendencia en investigación según la indagación realizada, donde son 24 residuos agroindustriales los que se han investigado, y que su aplicación se ha dado tanto en aguas residuales sintéticas y industriales (para algunos).
Con relación a las tablas 5 y 6, ha sido amplio cada uno de los residuos agrícolas empleados para la remoción de plomo, entre los cuales se encuentran desde semillas, cáscaras de diferentes frutas, bagazo, pseudotallo de plátano, astillas de un material vegetal, residuos de diferentes jugos, entre otros. A su vez, con respecto a las variables óptimas de adsorción se presenta que los residuos agrícolas de mayor eficiencia con un 100 % se reportan las semillas de guayaba y cáscara de melón y alrededor del 98 % al 99 % se encuentran las astillas de eucalipto, la cáscara de ñame y el bagazo de palma africana.
