2021.06.02.17
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Evaluación de la eficiencia de extractos naturales en el proceso de coagulación floculación de aguas crudas, con fines de potabilización
Evaluation of the efficiency of natural extracts in the coagulation floculation process of raw water, for purification purposes

Carlos Augusto Benjumea-Hoyos 1*, Manuela Toro Martínez 2, Valerya Luna Marin 3
Available from: http://dx.doi.org/10.21931/RB/2021.06.02.17 (registering DOI)
RESUMEN
El presente
estudio permitió por medio de ensayos de jarras, evaluar la eficiencia de los
extractos naturales de Zea mays
(Maíz), Aloe vera (Sábila) y Citrus sinensis (Naranja) para disminuir
los valores de turbidez en aguas crudas con fines de potabilización y su efecto
en el pH y la conductividad. Esto con el fin de investigar alternativas viables
que permitan mejorar la calidad del agua cruda y que sean de fácil acceso para
comunidades marginales; el uso de extractos naturales en el proceso de
potabilización de aguas y en específico en la remoción de turbidez permite
evaluar la capacidad de estos en relación con los compuestos químicos
convencionales utilizados en dicho proceso. En este sentido, se obtuvo una
remoción en la turbidez del 85% con los extractos de maíz y sábila; y del 69%
con el extracto de naranja. Los resultados obtenidos dejan ver los beneficios
de utilizar extractos naturales en los procesos de tratamiento de aguas, el
fácil acceso a la materia prima requerida, su bajo costo, producción mínima de
lodos inocuos debido a la no presencia de sales metálicas y su aporte a reducir
el uso de coagulantes químicos, serían aportes importantes en la disminución de
impactos ambientales asociados a los riesgos que este tipo de lodos
convencionales podrían provocar.
Palabras
clave: Coagulación, floculación, extractos naturales, turbidez, pH,
conductividad, calidad del agua, potabilización.
ABSTRACT
The present study allowed, through jar tests,
to evaluate the efficiency of the natural extracts of Zea mays (Corn), Aloe
vera (Aloe vera), and Citrus sinensis (Orange) to reduce the
turbidity values in raw water for purification purposes and its effect on pH
and conductivity. This is to investigate viable alternatives that improve the
quality of raw water and are easily accessible to marginal communities; the use
of natural extracts in the water purification process and specifically in the removal
of turbidity allows evaluating their capacity concerning the conventional
chemical compounds used in the process. In this sense, a turbidity removal of
85% was obtained with the extracts of corn and aloe; and 69% with the orange
extract. The results obtained show the benefits of using natural extracts in
drinking water treatment processes, the easy access to the required raw
material, its low cost,
minimum production of harmless sludge and its
contribution to reducing chemical coagulants' use would be contributions significant
in reducing environmental impacts associated with the risks that this type of
conventional sludge could cause.
Keywords: Coagulation, flocculation, natural extracts, turbidity, pH,
conductivity, purification.
INTRODUCCIÓN
Según UNICEF
(2019)1, con base en la problemática del acceso al agua potable, se
estima que 1 de cada 10 personas todavía carecen de servicios básicos,
incluidos los 144 millones que beben agua de superficie que no ha recibido
tratamiento. Además, evidencia que 8 de cada 10 personas que viven en zonas
rurales carecen de acceso al agua potable, y en 1 de cada 4 países con
estimaciones para diferentes grupos de riqueza, la cobertura de los servicios
básicos era más desfavorecida para personas de escasos recursos económicos,
como consecuencia de la mala gobernabilidad y gobernanza del agua en todo el
mundo2. A lo anterior se le suma la alta demanda de agua que
aumentará entre un 20 y 30 % en 2050 respecto al nivel actual, por el
crecimiento poblacional, desarrollo económico y los modos de consumo3.
En el caso de
Colombia a pesar de que los servicios públicos constituyen un derecho humano
fundamental que debe proveerse de manera obligatoria a la comunidad en las
cantidades mínimas4, esto no se ha podido satisfacer en todo el
territorio Nacional, lo cual hace más evidente la falta de gobernabilidad y
gestión5. En Consecuencia, 28.1 millones de personas en la zona
urbana cuentan con agua potable, es decir 86.11% de la población total y
alrededor de 3.8 millones de personas reciben agua no apta para consumo humano,
haciendo referencia a un 11.56% de la población total del país6. Los
municipios con menor cobertura de agua potable presentan consecuencias mortales
en la población por lo que por cada 100.000 nacidos hay 96 muertes maternas
asociadas a la falta de cobertura de acueducto y alcantarillado, además, 11 de
cada 100.000 menores de 5 años mueren a causa de enfermedades diarreicas7
Los cuerpos de
agua cruda contienen partículas coloidales que generan turbidez debido a
sedimentos y nutrientes, los cuales no precipitan completamente de manera
natural y, por ende, deben ser removidos8,9. Por tal motivo, la
clarificación del agua, que se entiende como el retiro de materiales sólidos y
coloidales, es fundamental en el proceso de potabilización, que incluye las
fases de coagulación-floculación en el cual las partículas presentes se
aglomeran formando pequeños gránulos con un peso específico mayor; de esta
forma las partículas sedimentan y ocurre la remoción de los materiales en
suspensión, lo que permite que el agua alcance características físicas y
químicas idóneas como un paso en su tratamiento, con el fin de lograr que esta
cumpla las normas y estándares de salud pública10.
Generalmente en
las plantas de potabilización se utilizan coagulantes inorgánicos, muchos de
ellos como el sulfato de aluminio y cloruro férrico, entre otros, que se han
utilizado para eliminar las impurezas y las partículas coloidales presentes en
los cuerpos de agua debido a su rendimiento y disponibilidad11. Sin
embargo, existe evidencia que relaciona a los coagulantes a base de aluminio,
con el desarrollo de enfermedades como el Alzheimer en los seres humanos12,13,14,15,
así mismo con la producción de grandes cantidades de sedimentos que, al ser
vertidos en las fuentes de agua, se convierten en un problema ambiental debido
a que en altas dosis pueden llegar a ser tóxico16.
Ante esta
problemática, se hace necesaria la búsqueda de alternativas que puedan
sustituir total o parcialmente las sales de hierro y aluminio, así como los
polímeros orgánicos sintéticos17. En varios países de Latinoamérica,
desde los años 70 en adelante se propuso la utilización de los coagulantes
naturales, donde la mayoría de estos se derivan de semillas, hojas, cortezas o
savia, raíces y frutos de árboles y plantas, además se pueden extraer de
microorganismos, animales y tejidos vegetales18 con el propósito de
reducir el consumo de reactivos químicos.
De acuerdo con
lo anterior, en la literatura se han encontrado antecedentes sobre el uso de
coagulantes naturales en Colombia para ser usados en los procesos de
clarificación de agua19 tales como el cactus Opuntia ficus, samán o
árbol de lluvia Pithecellobium20 moringa oleifera, entre otros21,22,23.
Esto se ha estudiado principalmente en regiones del caribe, debido a que
demuestran que no es posible acceder al agua potable en las comunidades de
escasos recursos económicos y, en especial la población rural24.
Ante este
panorama surge la necesidad de evaluar mediante este trabajo el poder
coagulante de Citrus sinensis, Zea mays y
Aloe vera, en el proceso de clarificación en el agua cruda.
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
Los ensayos se realizaron en el laboratorio
de monitoreo ambiental de la Universidad Católica de Oriente ubicada en el
municipio de Rionegro-Antioquia. Las muestras de agua fueron obtenidas de la
quebrada el Águila con coordenadas geográficas latitud 6°9’6.00” N, longitud
75°21’59.45” O, la cual es afluente del Río Negro (figura 1).

Figura1. Localización punto de muestreo Quebrada El Águila, Rionegro-Antioquia.
Fuente: Autores.
A las muestras se les ajustó su turbidez
inicial, bajo parámetros similares a los empleados por Caicedo (2017)25,
en un modelo de solución de mezcla de fondo a una relación de 1/1 de limo
propio de la zona de estudio y agua cruda de la quebrada, preparando la
solución en un recipiente plástico previamente lavado y realizando un mezclado
de manera manual. La mezcla se dejó reposar con el fin de lograr el
asentamiento de los sólidos sedimentables, y al mismo tiempo se permitió el
aumento de la turbidez hasta garantizar rangos de 255 a 309 NTU. Se
determinaron las variables fisicoquímicas de la mezcla como pH (Unidades de
pH), conductividad (μS/cm) y concentración de cloruro de sodio NaCl (mg/L) con
un multiparamétrico marca HACH hq40d, modelo MULTI 340i y la turbidez con un
turbidímetro marca HACH 2100q, método nefelométrico (método 2130B), ambos
calibrados con soluciones estandarizadas.
En la preparación de los extractos naturales,
se inició con el tratamiento del material vegetal. Para el caso de Citrus sinensis (Naranja) se recolectaron
las cascaras y se eliminó el bagazo (Mesocarpio), se dejó secar durante 24
horas para lograr una humedad de alrededor del 10%, luego se trituró en trozos
de 0.5 mm aproximadamente de manera manual y mecánica; se realizó el mismo
proceso con el Zea mays (Maíz) a
diferencia de que la materia prima de este último se obtiene seca.
Finalmente, para el material vegetal de Aloe vera (Sábila) se utilizó solo el
cristal interno que esta contiene, dado que este representa hasta un 80% del
peso total de la planta26. Con el fin de evitar la pérdida de las
propiedades originales del Aloe vera,
no se procedió a un secado, sino que se sometió a un macerado hasta lograr un
cambio de estado de sólido a semilíquido.
Para la extracción del componente activo, se
preparó una solución al 5% (p/v) bajo precipitación con 100 ml de alcohol
etílico (90% v/v) por cada 5 gramos de material vegetal obtenido, dicha
solución se mezcló con agitadores magnéticos durante 30 min y un tiempo de
sedimentación de 1 hora. Posteriormente se separó el sólido y liquido de la
solución con una bomba de vació y filtros de papel. La porción sólida obtenida
se llevó a secado en horno a 70°C, solo para el caso de la naranja y el maíz.
Seguidamente, se procedió a la preparación
del extracto natural para ser utilizado como coagulante. Para ello, se
prepararon disoluciones al 5 % (p/v) compuestas por 5 gramos de los sólidos
secos por cada 100 ml de una solución salina de NaCl a concentraciones de 0.125
M, 0.25 M y 0.5 M. Dichas disoluciones se mezclaron durante 30 minutos con
agitadores magnéticos, y una vez transcurrido este tiempo se filtraron con la
bomba de vació y papel filtro. El líquido filtrado constituye el extracto crudo
salino (ECS) en sus tres distintas concentraciones27,28.
Los ECS fueron utilizados en los ensayos de
actividad coagulante, con ayuda del método conocido como test de jarras según
lo establecido por la ASTM (2003)29 y lo propuesto por Norma Técnica
Colombiana NTC 3903 en cuanto al procedimiento para el ensayo de
coagulación-floculación en un recipiente con agua o método de jarras de manera
individual. El procedimiento se realizó con cinco beacker de 1000 ml a los
cuales se les adiciono el agua cruda, dejando uno como blanco (Control) al cual
no se le adiciono ningún extracto; los otros cuatro se dosificaron con 7 ,10,12
y 15ml respectivamente. Las anteriores soluciones se sometieron a una mezcla
rápida a 150 revoluciones por minuto (rpm) durante 3 min, seguida de una mezcla
lenta a 25 rpm durante 20 min, por último, se finalizó con la fase de
sedimentación durante 20 min y se midieron nuevamente las variables
fisicoquímicas de cada uno de los beackers.
Para determinar el efecto de diferentes tipos
de coagulantes (Citrus siniensis, Zea
mays y Aloe vera) sobre las
variables pH, conductividad y porcentaje de remoción de turbiedad se hizo uso
de un diseño unifactorial con tres réplicas para cada uno de los tratamientos
utilizados.
Con el fin de establecer diferencias
estadísticas significativas entre los tratamientos se hizo uso de un análisis
de varianza ANOVA con un 95% de confianza seguido de un análisis post-hoc
Tukey-HSD con la misma confianza. Los supuestos de normalidad de los residuales
se verificaron por medio de la prueba de Kolmogorov-Smirnov30 y
Shapiro & Wilk (1965)31 y la homocedasticidad de los residuales
por medio de la prueba de Levene (1960)32. Los resultados se
presentaron a partir de una gráfica de interacción de medias entre uno o dos
factores. Todo el componente estadístico se desarrolló en el software RWizard
4.233.
Teniendo en cuenta lo establecido en la
metodología, la cual se encuentra enfocada en evaluar la actividad coagulante
de los extractos naturales en base salina (ECS), los tratamientos analizados
como Control, a los cuales no se les realizo adición de extracto coagulante, no
se consideraron dentro del tratamiento estadístico debido a que estos
presentaron una remoción de turbidez por sedimentación natural , la cual fue
sobrepasada visualmente por la actividad coagulante de los extractos, posterior
a los 10 primeros minutos de comenzada la metodología establecida con el test
de jarras.
RESULTADOS
La tabla 1
presenta la caracterización de las variables fisicoquímicas evaluadas en el
agua cruda realizada durante el presente estudio. Se estableció un intervalo de
oscilación para cada variable teniendo en cuanta las repeticiones realizadas.
Con la finalidad
de encontrar el mejor extracto por su acción coagulante, se estimó de manera
individual para cada uno cuál fue su mejor tratamiento con base a la concentración
salina de NaCl de este

Tabla 1. Rango de
oscilación de las variables fisicoquímicas de la muestra de agua.
El análisis de
varianza ANOVA permitió conocer la relación del factor concentración (mg/L) de
NaCl, sobre la variable respuesta porcentaje de remoción de turbidez con cada
uno de los tres extractos coagulantes utilizados, esta se realizó con una
confiabilidad del 95%. Se tuvo en cuenta el valor de P, que para los tres
extractos presento valores menores de 0.05 indicando que existen diferencias
significativas entre los tratamientos evaluados en cuanto a el porcentaje de
remoción de turbidez final obtenida.
El porcentaje de
remoción de turbidez en relación con el extracto aplicado se muestra en la
figura 2, donde teniendo en cuenta la turbiedad inicial del agua cruda, se
observó y determino que los tratamientos con mayor eficiencia por extracto
fueron a una concentración de 0.5 molar de NaCl, obteniendo un porcentaje de
remoción de turbidez de hasta un 85% para el caso del maíz y la sábila,
mientras que para el extracto de la naranja se alcanzó una de remoción de hasta
un 69%.
Lo anterior
constituyen los resultados principales de la presente investigación, por lo
cual se analizarán seguidamente solo los tratamientos que presentaron mayor
eficiencia en la remoción de turbidez en cada caso, para ser relacionados con
las variables fisicoquímicas después del proceso de coagulación.
Con el fin de
determinar la dosis óptima de coagulante para cada extracto, se evaluó el
porcentaje de remoción de turbidez por dosis adicionada en los mejores
tratamientos.
Por medio
nuevamente de análisis de varianza ANOVA, se encontró que los valores de P para
todos los extractos fueron mayores de 0.05 lo que indica que no existen
diferencias significativas entre la remoción de turbidez con respecto a la
dosis de coagulante adicionada.

Figura 2. Porcentaje de Remoción de turbidez
con extracto de Zea mays “maíz” (a), Aloe vera “sábila” (b) y Citrus sinensis “naranja” (c).
En la figura 3,
se identifica que para el tratamiento con maíz a una concentración de 0.5 molar
de NaCl, la eficiencia más alta se presentó con un porcentaje de remoción de
turbidez de un 85% con dosis de 7 y 12 ml, pasando de valores de turbidez de
269 NTU a 40.6 y 41.2 NTU; respectivamente. Mientras que con las dosis de 10 y
15 ml se lograron remociones de un 83,5% con valores finales de turbidez de
44.3 y 46.9 NTU, respectivamente. Para los tratamientos con sábila a
concentración de 0.5 molar de NaCl las dosis con mejor efecto fueron las de 10,
12 y 15 ml con remoción hasta de un 85%, pasando de una turbidez inicial de 300
NTU a 47.4, 48.9 y 46 NTU respectivamente, mientras que la dosis de 7 ml mostro
una disminución de la turbidez hasta 71.3 NTU. Posteriormente se encontró que,
para el extracto realizado con naranja, se presentó una remoción de hasta un 69%
con la dosis de 15 ml pasando de una turbidez inicial de 296 NTU a 87.8 NTU,
mientras que las de 10 ml y 12 ml muestran remociones similares de hasta un 66%
pasando a remover la turbiedad hasta 96.4 NTU y 97.8 NTU respectivamente. Finalmente,
la menor remoción fue con 7 ml, disminuyendo la capacidad del coagulante hasta
remociones de un 63% finalizando con una turbidez de 107 NTU.Se evaluó de
manera general el efecto independiente de las variables fisicoquímicas en el
diseño metodológico, con el fin de determinar cuál de las ellas tenía un efecto
mayor en relación con el porcentaje de remoción de turbidez.
El análisis arrojo un efecto del 62% del pH y
del 38% de la conductividad (μS/cm) en los tratamientos con coagulantes
naturales en el agua cruda con rangos de turbidez inicial de 255 – 309 NTU.

Figura 3. Porcentaje de
remoción de turbidez por dosis de coagulante de extractos de Zea mays “maíz” (a), Aloe vera “sábila” (b) y Citrus
sinensis “naranja” (c).
En la figura 4
se presenta el efecto del pH teniendo como factor principal las dosis de
coagulantes adicionadas para el tratamiento óptimo por extracto determinado;
dicha variable no presenta diferencias significativas entre tratamiento, lo que
se logra visualizar dado el entrecruzamiento del error estándar (líneas
verticales). Se observa que para el maíz la muestra presento un valor inicial
de pH 6.95 finalizando con un valor de 7.01 en todos los tratamientos. Con la
sábila el valor inicial de pH fue de 6.52 concluyendo con valores de pH 6.93,
6.79, 6.67 y 6.70 para los tratamientos con dosis de 7, 10, 12 y 15 ml
respectivamente; en tanto con la naranja este presento un valor inicial de pH
de 6.12 variando de 7.32, 7.19, 7.15 y 7.06 con respecto a las dosis de 7, 10,
12 y 15 ml respectivamente.

Figura 4. Variación del pH
con respecto a la dosis y el extracto natural.
En cuanto a la
variabilidad de la conductividad, se puede observar en la figura 5 su relación
con la dosis de coagulante adicionada y su efecto con respecto al porcentaje de
remoción de turbidez en cada uno de los tratamientos. La relación entre la
conductividad (μS/cm) y la concentración salina de NaCl fue directamente
proporcional, las cuales presentaron un aumento progresivo en correlación con
la dosis de coagulante adicionado, obteniéndose valores de hasta 1063 uS/cm
para el maíz, 603.8 uS/cm para sábila y 1246 uS/cm con la naranja para la dosis
de 15 ml, los cuales fueron los valores más altos, teniéndose que para las
dosis más bajas esto disminuyo proporcionalmente.

Figura 5. Variación de la
conductividad (μS/cm) con respecto a la dosis y el extracto natural para los
mejores tratamientos.
DISCUSIÓN
Se encontró cómo
dosis óptima de ECS para el maíz el tratamiento de 7ml, para el caso de la
sábila de 10 ml y para la naranja de 15 ml, todas a una concentración de 0.5
molar de NaCl; esto debido a que no se presentaron diferencias significativas
con las demás dosis y que además se obtuvo la mayor eficiencia en remoción de
turbidez, lo cual beneficia, entre otras cosas la baja cantidad de coagulante
requerido en el proceso y el poco efecto en las variables fisicoquímicas
evaluadas, principalmente el pH.
Con respecto a
la actividad coagulante del extracto de maíz para disminuir la turbidez, según
Shogren (2009)34 el componente activo que le da la capacidad
coagulante-floculante en el tratamiento de aguas es el almidón, el cual es un
polímero natural que cuenta además con una alta biodegradabilidad; con dicho
componente activo se ha logrado en algunos casos remociones de hasta un 90% de
turbidez y color en fuentes hídricas superficiales10. Lo anterior,
con base a los resultados obtenidos para el tratamiento más eficiente con el
maíz en relación con la remoción de turbidez y la dosis optima de coagulante,
coincide con lo reportado Jiménez y Piscal (2015)35, quienes
consiguieron una remoción del 86.77%, y afirman que los altos valores de
turbidez permiten que el almidón contenido en el maíz funcione como catalizador
y logre que más partículas coloidales se adhieran para formar flocs de mayor
peso, promoviendo la remoción de turbidez en aguas crudas. Por su parte Aguirre
et al (2018)28 lograron obtener una remoción del 68% y Sotheeswaran
et al (2011)36 obtuvieron una eficiencia del 19%; estos resultados
demuestran la influencia de las diferentes metodologías aplicadas para la
extracción del componente activo.
Por otra parte,
la diferencia de cargas iónicas entre el almidón presente en el maíz y la poca
variabilidad del pH de la muestra en relación con la dosis de coagulante
aplicado en el presente estudio, generaron un equilibrio químico entre las
partículas, lo que favoreció la eficiencia de remoción de turbidez y lo que se puede asociar, inclusive, a que
se ha demostrado una afinidad entre dichas variables, donde se afirma que a
menores dosis de coagulante y pH por debajo de la neutralidad se favorece el
proceso de coagulación37.
La actividad
coagulante del extracto de sábila y el de la naranja se encuentra ligada a la
pectina38, esta se encuentra asociada a la capacidad de gelificación
natural de los compuestos que a su vez permite que sea soluble en agua y a que
sea eficiente para ser utilizada en procesos de tratamientos de coagulación de
aguas crudas39, donde además su capacidad coagulante se encuentra
estrechamente relacionada con la disponibilidad de cationes bivalentes40.
En relación con
lo obtenido con el extracto de sábila y la dosis optima de coagulante
determinada para dicho tratamiento, se observa un comportamiento similar a lo
reportado por Diestra y Ramos (2019)41 los cuales obtuvieron una
remoción de turbidez con extractos de sábila desde un 80.98% hasta un 88.5% con
tiempos de floculación de 25 minutos, coincidiendo con lo realizado en el
presente estudio, lo que además confirma que dicho tiempo es óptimo y evita que
los flocs se destabilicen y comiencen nuevamente a aumentar los valores de
turbidez. Lo primero, también se relaciona con lo propuesto por Munavalli
(2017)42 quien alcanzo remociones entre un 75% a un 81% en aguas con
turbidez entre 70-90 NTU, lo que puede deberse a lo afirmado por Morales (2018)43
donde se logró demostrar que a mayor cantidad de extracto de sábila se pueden
obtener mejores resultados en la remoción de turbidez, lo que permite inferir
que en el presente estudio un aumento en la concentración del extracto podría
presentar remociones incluso mayores al 90%.
Cabe resaltar que,
en lo realizado por Mendoza, et al (2014)44, donde se trabajó el
extracto en solución acuosa (agua destilada) solo se logró una remoción del
22.5% confirmando que el extracto de Alo vera en solución salina logra una
mayor destabilizacion de los coloides y es más efectiva para ser utilizada en los
tratamientos de coagulación y floculación del agua.
Es importante
mencionar que el pH en el tratamiento con extracto de sábila no presento
variaciones significativas entre el pH y las dosis adicionadas, manteniendo un
rango entre 6.9 a 7.0 unidades de pH (remoción hasta del 85%), este resultado
es comparable con lo establecido por Guo
(2008)45, quien afirma que a pH entre 3 a 11 la sábila
presenta una aplicabilidad en gran cantidad de procedimientos en el ámbito del
tratamiento de aguas, permitiendo porcentajes de remoción de turbidez de hasta
un 92%, lo cual se puede comparar con los resultados de Babora , et al ( 2014)46 quienes obtuvieron que a pH altos se logran
remociones de hasta un 72%.
El porcentaje de
remoción máxima con el extracto de naranja fue de 69%, que en comparación con
lo reportado por Ticona (2018)47, quien realizo igualmente una
extracción en base salina, logro una remoción de hasta un 81.99%, cabe señalar
que dicho trabajo fue realizado con valores de turbidez inicial de 13.6 NTU, lo
que permite inferir sobre cómo se puede lograr mejorar los efectos de dicho
extracto en relación con la turbidez inicial y la salinidad, relacionándolo con
lo que obtuvo Campo, et al ( 2018)48 de extracto de naranja en solución
acuosa que removió solo un 39% y un 79% en combinación de quitosano. Por otra
parte Contreras, et al (2015)49, determinaron que la actividad coagulante
también se puede relacionar con el ácido galacturónico, el cual también se
encuentra presente en la pectina de los extractos de naranja50 y
permite una mayor absorción química entre partículas suspendidas en el agua.
Por su parte Miller, et al (2008)51 lograron reducción de turbidez
del 50% en combinación con otros azucares como la galactosa, mientras que
Carpio (2007)52 logro una biosorción de Plomo (Pb) usando extractos
de naranja con una eficiencia de hasta un 95%.
La estabilidad
del pH luego del proceso de coagulación con el extracto de naranja y sus
valores tendientes a la neutralidad contrastan con lo reportado por Chávez
(2009)50, quién encontró un mayor rendimiento de la pectina (propia
del extracto de naranja) a valores de pH entre 1,5 y 2.
Lo obtenido en
el presente estudio, presenta entonces, un beneficio en cuanto al tratamiento
de aguas crudas, puesto que las cascaras utilizadas para la extracción de
coagulante, se encontraban en etapa madura, lo cual en relación con los
antecedentes químicos de la naranja se asocia con un aumento de las azucares
presentes en la misma y una disminución en la acidez natural de dicho fruto53.
La conductividad
del agua posterior al tratamiento de coagulación con los extractos de maíz,
sábila y naranja, presentaron un aumento directamente proporcional a la dosis
aplicada de coagulante, esto debido a que la solución se preparó en base salina
con cloruro de sodio (NaCl), que permite una mayor actividad coagulante debido
a su capacidad electrolítica24. Dicha solución permitió separar las
moléculas en iones de Na+ y Cl-, logrando conducir más electricidad y al mismo
tiempo permitir la precipitación de otros iones que pueden causar efectos
adversos en el tratamiento de agua54.
En la resolución
2115 de 200755 se establecen los límites máximos permisibles de
turbidez (< 2 NTU), conductividad (1000 μS/cm) y pH (entre 6.5 y 9,0) para
agua de consumo humano. La conductividad
en las dosis optimas de coagulante natural determinadas por su capacidad de
remoción de turbidez para el maíz y sábila fueron respectivamente 512 y 371
(μS/cm) lo que les da un valor agregado para ser utilizados en el tratamiento
del agua, mientras que para el caso de la naranja la dosis optima presento un
valor superior al de la norma (1246 μS/cm), por lo tanto se debe considerar su
uso, debido a que se requeriría un tratamiento previo antes de ser puesta a
disposición para consumo o considerar el aumento de las proporciones iniciales
del componente activo adicionado en las soluciones para impedir los excesivo valores en la conductividad.
Con los valores
de turbidez obtenidos luego de la aplicación de los coagulantes naturales en el
agua cruda, no se logra llegar hasta los valores requeridos para consumo
humano, pero cabe resaltar que este tratamiento se realiza previo a los
procesos de filtración, donde probablemente se lograría obtener los valores
demandados en la norma con relación a dicha variable.
Por otra parte,
los extractos no alteraron significativamente los valores iniciales de pH, estos
resultados también han sido obtenidos en trabajos donde se toma como beneficio
la estabilidad de dicha variable, para ser utilizados como coadyuvantes en el
tratamiento de coagulación, como lo encontró Kopytko, et al (2014)56,
donde se logró reducir en un 20% la cantidad de sulfato de aluminio requerido
para tratamiento del agua, a lo que además se le suma la actividad antimicrobiana que los
extractos a base del gel o cristal de la hoja de Aloe vera presentan para remover bacterias presentes en el agua57.
Shahriari , et al (2011)58 utilizaron extractos de almidón con
cloruro férrico para remover turbidez en agua preparada, logrando remociones de
hasta un 92.4% y tal como encontraron Laines , et al ( 2008)59 que
se pueden utilizar extractos a base de almidón y sulfato de aluminio para ser utilizados inclusive en la remoción
de turbidez de lixiviados, logrando remociones de hasta un 98.6%.
En contraste con
los coagulantes químicos convencionales especialmente los utilizados a base de
aluminio y hierro, han demostrado que al ser adicionados en el proceso de
coagulación, generan variaciones en el pH óptimo (6,5 a 9,0 unidades de pH), lo
que dificultan el tratamiento del agua60 acidificándola debido a la
reacción que ocurre con la alcalinidad37, además, pueden generar
efectos secundarios en otras variables fisicoquímicas como la turbidez y
alcalinidad61, por lo que se establece que si dicha variable se
encuentra en un rango de 6 y 8 unidades de pH las sales de aluminio se
solubilizan más fácilmente, mientras que las sales de hierro permiten se
utilizadas en un rango de pH mayor entre 5.5 y 8.5 unidades de pH; este último
compuesto permiten la formación de floc con mayor peso disminuyendo el tiempo
de sedimentación pero son poco utilizadas por adicionar color al agua62.
Finalmente, en
relación con lo obtenido en el presente trabajo y los posibles usos de los
extractos naturales como coadyuvantes en el tratamiento de aguas con sulfato de
aluminio y cloruro férrico, los cuales se encuentran actualmente regulados por
normativa colombiana55 y teniendo en cuenta los estudios realizados
por World Health Organization (2003)12 y Llopis y Ballester (2002)61
donde demuestran que la exposición al aluminio puede generar daños
irreversibles en el sistema inmune humano e incluso permitir el desarrollo de
enfermedades asociadas a daños cerebrales que afectan las capacidades psíquicas
y cognitivas, se resalta el aporte que se puede dar al utilizar extractos de
fuentes vegetales e incluso animales, enfocado en soluciones para Colombia así
como lo explica Castellanos (2017)64, los que además tienen un grado
de toxicidad bajo, buena biodegradabilidad y poca variabilidad del pH37,
presentan un rango de dosis efectiva más amplio para la floculación de varias
suspensiones coloidales y producen lodos inocuos y una menor cantidad de los
mismo14,16.
CONCLUSIONES
La presente
investigación permitió realizar el proceso de coagulación-floculación con
extractos de origen natural mediante la metodología del test de jarras, con lo
cual se logró generar un equilibrio químico que permitió desestabilizar las
cargas iónicas de los coloides favoreciendo la formación de flocs, obteniendo
en este proceso una reducción de hasta el 85% en términos de turbiedad.
La metodología
empleada para la extracción de coagulantes naturales de Zea mays (Maíz), Aloe Vera
(Sábila) y Citrus Sinensis (Naranja)
permitió demostrar la efectividad de los mismos en la remoción de turbidez con
dosis bajas de coagulante aplicado, siendo también significativo el hecho de que
el pH del agua no se vio afectado. Aunque la remoción dada no logra satisfacer
lo establecido en la normatividad colombiana de agua potable solo con el
proceso de coagulación-floculación y sedimentación; no obstante, los valores
ideales de turbidez podrían ser alcanzados mediante los procesos siguientes en
el tren de tratamiento mediante los procesos de filtración. Adicionalmente se
puede considerar el aumento del potencial de los extractos naturales al ser
utilizados como coadyudantes con los coagulantes químicos comerciales. Es importante mencionar lo establecido en los
objetivos de desarrollo sostenible, específicamente para Colombia en el ámbito
de garantizar agua potable en el territorio nacional, por lo tanto, la
alternativa estudiada puede ser tenida en cuanta como una adaptación para
mitigar los problemas de salud pública y calidad de vida que se presentan
actualmente.
Agradecimientos
Los autores
agradecen el apoyo durante todo el proceso del proyecto al Grupo de
investigación Limnología y Recursos Hídricos y sus semilleros asociados; y a la
Universidad Católica de Oriente.
Conflicto de interés
Los autores declaran no tener conflicto de
intereses.
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Recibido: 15 febrero 2021
Aceptado: 15 marzo 2021
Carlos Augusto Benjumea-Hoyos 1*, Manuela
Toro Martínez 2, Valerya Luna Marin 3
1. Magister en Ingeniería,
Docente Asistente Universidad Católica de Oriente, Grupo de investigación Limnología
y Recursos Hídricos. Rionegro – Colombia. cbenjumea@uco.edu.co;
carlosbenju@gmail.com
2. Ingeniero Ambiental Universidad Católica de Oriente. Manutoro.9715@gmail.com
3. Ingeniero Ambiental Universidad
Católica de Oriente. valeryalunam@gmail.com