El objetivo de esta propuesta de estudio es desarrollar un sistema de laboratorio para la remoción de arsénico presente en altas concentraciones en agua combinando nano partículas de óxidos de hierro soportados sobre carbón activado y luz solar. Este sistema será comparado a uno ya evaluado (Morgada et al., 2009) compuesto por nano partículas de hierro cero valente y luz solar. Este tipo de sistemas es clasificado como emergente dentro del área de tratamiento de agua en América Latina, en particular para la remoción de arsénico y es uno de los procesos más recomendados para esta región del mundo (Bundschuh et al., 2010)._x000D_ _x000D_ Una innovación o contribución de este estudio es el método de producción de nano partículas de óxidos de hierro, el cual podría ser económico en la medida que se logren optimizar las condiciones, pero sobretodo es fácil de implementar a nivel industrial, respecto a otras técnicas reportadas como son: intercambio iónico, depósito por precipitación homogénea, proceso sol-gel y depósito por vapor químico. Otra innovación es el uso de nano partículas, en lugar de micro partículas, de hierro soportadas en carbón activado (lo que aumenta significativamente el área de adsorción) combinadas con luz solar (aumentaría la velocidad de adsorción de arsénico al oxidar el As (III) a As (V) y permitiría al mismo tiempo la desinfección del agua) para la remoción de arsénico y de bacterias en el agua. Es importante mencionar que no se identificó ningún estudio previo que combine estos materiales y luz solar, solamente hay un reporte pero con nano partículas de hierro cero valente y luz UV (Litter et al., 2009). En particular es un gran desafío y contribución desarrollar un sistema de tratamiento que permita reducir la concentración de arsénico con concentraciones tan altas como 6 mg/L al límite establecido para agua potable en México (25 µg/L), debido a que hasta el momento ninguno de los procesos reportados ha sido capaz de alcanzar tal eficiencia (99.6%) para esa concentración inicial. _x000D_ _x000D_ La presente propuesta de proyecto se divide principalmente en dos etapas o años: en el primer año realización de pruebas de cinéticas de adsorción en reactor discontinuo y en el segundo pruebas de adsorción en mini columnas de adsorción. En las pruebas de la primera etapa, por una parte, se optimizarán los valores de los parámetros de operación a evaluar para la remoción de arsénico en soluciones preparadas (tres variables del proceso de síntesis de nano partículas de óxidos de hierro (cantidad de hierro soportado en carbón activado, tiempo de impregnación, temperatura de calcinación) y cuatro variables del proceso de remoción de arsénico (concentración inicial de As, pH, temperatura y dosis de nano partículas de hierro cero valente o de óxidos de hierro)) mediante un diseño de experimentos y, por otra parte, para el mejor material sintetizado y con una concentración inicial de As de 6 mg/L se estudiará la competencia e influencia de otros iones presentes en el agua a tratar sobre la eficiencia del proceso, aplicando esos dos nano materiales. También se hará una prueba sin luz para estudiar el efecto de este parámetro sobre la eficiencia del proceso. En estas pruebas se utilizarán soluciones preparadas de arsénico (condiciones ideales) con los iones principales (presentes de manera individual) y, finalmente, se hará una prueba con un agua real contaminada con arsénico. En una segunda etapa, utilizando los dos nano materiales y los mejores valores (estimados con modelos matemáticos desarrollados con base en los resultados de las pruebas de adsorción en la primera etapa de pruebas) de pH, temperatura y dosis de nano materiales, se propone realizar pruebas con mini columnas empacadas con estos dos materiales y el agua residual de Los Humeros, para determinar utilizando ecuaciones de escalamiento las dimensiones (diámetro de columna y de partícula, altura del lecho de adsorción y de la columna, tiempo de contacto de lecho vacío (EBCT por sus siglas en inglés, Empty Bed Contact Time), tiempo de ruptura y saturación completa del lecho de escoria) para un sistema prototipo de adsorción de arsénico presente en agua residual de plantas geotérmicas, basado en escorias metalúrgicas, utilizando y la metodología denominada Rapid Small Scale Column Testing (RSSCT por sus siglas en inglés), que fue propuesta por Crittenden et al., (1986). Estos resultados permitirán estimar la factibilidad técnico-económica del proceso propuesto._x000D_ _x000D_ El trabajo experimental del primer año comprende las actividades que se enlistan a continuación:_x000D_ 1.- Revisión y análisis del estado del conocimiento científico-tecnológico sobre los procesos de remoción de arsénico presente en altas concentraciones en agua y de nano catalizadores de hierro (métodos de síntesis, caracterización y estudios de remoción de arsénico o contaminantes similares)._x000D_ 2.- Realización de un programa de muestreo y caracterización del agua residual proveniente de la planta geotérmica Los Humeros localizada en Perote para identificar y cuantificar el arsénico y otros iones de interés (competidores) en el estudio. _x000D_ 3.- Caracterización fisicoquímica de adsorbentes (espectrometría Mossbauer, microscopía electrónica de barrido-EDS, difracción de rayos X, mediciones de potencial zeta, etc.)._x000D_ 4.- Desarrollo del diseño experimental para la remoción de As en sistema discontinuo para cada adsorbente._x000D_ 5.- Realización de pruebas de remoción del arsénico en reactor discontinuo (nano partículas de hierro cero valente, carbón activado con y sin nano partículas de óxidos de hierro)._x000D_ 6.- Análisis estadístico de resultados._x000D_ 7.- Desarrollo de modelos matemáticos y estimación de las condiciones óptimas de remoción del arsénico por medio de los materiales utilizados._x000D_ 8.- Caracterización de los materiales después de tratamiento, bajo condiciones óptimas o que presentaron los mejores resultados en las pruebas de remoción del arsénico: determinación del mecanismo de remoción. _x000D_ 9.- Comparación de resultados obtenidos con las nano partículas evaluadas y luz solar._x000D_ 10.- Elaboración de conclusiones y recomendaciones._x000D_ 11.- Redacción y envío de artículo a revista internacional indexada._x000D_ 12.- Inicio de del trámite de registro de una patente._x000D_ _x000D_ Para el segundo año de este proyecto se realizarán pruebas de remoción, en reactores operados a régimen continuo o, lo que es lo mismo, mini columnas empacadas con los nanomateriales para poder determinar con mayor precisión la factibilidad técnico-económica del proceso evaluado. Finalmente, si el proceso es factible, junto con recursos del CONACYT se diseñará y construirá una columna piloto y se registrará al menos una patente (proceso de producción de nanopartículas o proceso de adsorción de arsénico presente en agua en alta concentración mediante nanopartículas de óxidos de hierro soportados en carbón activado)._x000D_ _x000D_

Las principales contribuciones esperadas de este proyecto se dividen en tres rubros:_x000D_ 1) Una innovación o contribución de este estudio es el método de producción de nanopartículas de óxidos de hierro, el cual es económico y fácil de implementar a nivel industrial, respecto a otras técnicas reportadas como son: intercambio iónico, depósito por precipitación homogénea, proceso sol-gel y depósito por vapor químico. Otra innovación es el acoplamiento de estos nano materiales con luz solar para la remoción de arsénico, debido a que no se identificó ningún estudio previo que los combine, solamente hay un estudio pero con nano partículas de hierro cero valente (Morgada et al., 2009). En particular es un gran desafío y contribución desarrollar un sistema de tratamiento que permita reducir la concentración de arsénico con concentraciones tan altas como 6 mg/L al límite establecido para agua potable en México (25 µg/L), debido a que hasta el momento ninguno de los procesos reportados ha sido capaz de alcanzar tales eficiencias. _x000D_ _x000D_ 2) En la formación de recursos humanos se tiene la participación de: una estudiante de doctorado, una de maestría y una de licenciatura. Se pretende también que pueda participar en el proyecto un doctor en estancia posdoctoral, para enriquecer el estudio. Los estudiantes de doctorado, maestría y licenciatura recibirán una preparación de alta especialización en las áreas de tratamiento de aguas residuales, aplicación de nanomateriales y aprovechamiento de sólidos industriales, de tal manera que podrán contribuir, una vez que obtengan sus diplomas y se incorporen a la vida laboral y profesional, con estos conocimientos adquiridos a la resolución de problemas similares._x000D_ _x000D_ 3) En cuanto al aspecto de patentes y desarrollos tecnológicos, con la realización de esta propuesta se pretende patentar el proceso de impregnación incipiente y ultrasonido para la síntesis de nano partículas de óxidos de hierro soportados en carbón activado. Este proyecto también representa el antecedente para desarrollar un sistema de adsorción de arsénico, que en combinación con un apoyo posterior del CONACYT para ultimar detalles de un prototipo, podría resultar en un desarrollo tecnológico altamente sustentable, tanto a nivel nacional como internacional, y que también podría ser patentado._x000D_