Emia 2008

1er Encuentro Macroregional de Investigación Ambiental – Junín 2008
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ENTRE LOS SERVICIOS Y LA INVESTIGACIÓN
Modesto Montoya
Físico nuclear

Las universidades e institutos de investigación se confrontan a menudo con la
pregunta: ¿brindo servicios o investigo? La respuesta no es fácil.
En cuanto a servicios, se tiene que competir con empresas internacionales, las que
cuentan con profesionales altamente calificados y equipos e instrumentos de última
generación, con los que brindan servicios de calidad, rápidos y a bajos precios. En
esa situación, si una empresa minera, por ejemplo, desea que se le analice una
muestra de mineral, escogerá un laboratorio que en una semana le entregará los
resultados del análisis cualitativo y cuantitativo, cristalográfico, mineralógico, y que
brinde toda la información necesaria para escoger el proceso más adecuado y
económico de explotación.
Las grandes compañías mineras que operan en el Perú, con una demanda masiva de
análisis, optan por formar sus propios laboratorios, adquiriendo equipamiento que
cuesta millones de dólares y contratando profesionales jóvenes para entrenarlos en el
uso de esos equipos, dirigidos por científicos de amplia experiencia en análisis. Si
queda tiempo libre de equipo e instrumentos, ofrecen sus servicios a otras empresas
peruanas o extranjeras.

Los equipos e instrumentos de los laboratorios competitivos son automatizados y
analizan centenares de muestras en poco tiempo, trabajan las 24 horas y son
manejados por una o dos personas. La velocidad de avance es tal, que no existen
expertos para los instrumentos que llegan, sino que hay que entrenarlos
permanentemente.

La investigación es de una naturaleza diferente. Lo que importa es la solución de un
problema científico, el que una vez planteado se tratará de resolver por todos los
medios al alcance y se acudirá a los laboratorios que puedan brindar las
informaciones complementarias necesarias.

Ruth Shady, por ejemplo, intenta averiguar cómo fue la vida en Caral hace cinco mil
años. Para ello, lleva muestras arqueológicas a equipos de físicos, químicos, biólogos
y antropólogos del Perú y del extranjero. Y acude a los laboratorios, nacionales o
extranjeros, que puedan darle los mejores y más rápidos resultados, y a precios
abordables con los recursos de su proyecto.

Si el investigador no tiene recursos para contratar servicios de análisis, recurre a la
colaboración por convenio. Cada institución pone lo suyo y la publicación resultante
tendrá la autoría de las instituciones participantes. Como se ve, la respuesta a la
pregunta inicial no es fácil.

ESTRUCTURAS PARA CIENCIA Y TECNOLOGÍA EN AMÉRICA LATINA
Escribe Modesto Montoya

Con vista a la reforma del Estado, echemos una mirada a la forma en la que los
Estados de América Latina se han estructurado para promover la ciencia y la
tecnología (CyT), cruciales para el desarrollo de los países.
En México, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) cuenta con el
Sistema Nacional de Investigadores (SIN), conformados por científicos que reciben
incentivos económicos según el nivel asignado. Se tiene también el Programa de
Apoyo Complementario para la Consolidación Institucional, el que propicia la
incorporación de investigadores con grados de doctor residentes en México a
instituciones de investigación mexicanas.

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_Gobierno Regional Junín
Gerencia Regional de Recursos Naturales y Gestión del Medio Ambiente
1
Sub Gerencia de Recursos Naturales y Medio Ambiente

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Argentina tiene un Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología, con una Secretaría
de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (SeTCIP), a la que está adscrito el
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), principal
órgano promotor de la ciencia y tecnología en Argentina. El CONICET cuenta con la
Carrera del Investigador Científico y Tecnológico (CICT), para incentivar dedicación
de los investigadores científicos y tecnológicos que trabajan en las instituciones
científicas y tecnológicas argentinas. Desde hace 5 años, el CONICET tiene en
promedio 3500 investigadores, distribuidos en cinco categorías, según su desempeño.
El 70% de ellos trabajan en las universidades nacionales, y el 30% en unidades
ejecutoras propias o en organismos descentralizados de ciencia y tecnología.
Brasil también tiene un Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), responsable de la
formulación e implantación de la Política Nacional de Ciencia y Tecnología. El
Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CCT), órgano colegiado del MCT, es
presidido por el Presidente de la República, y el Secretario es el Ministro de Ciencia y
Tecnología. Entre las misiones de CCT está la de sugerir ideas sobre el área, estudiar
y evaluar la ejecución de la política del Sector, y opinar sobre propuestas o programas
que puedan causar impacto en la política nacional de desarrollo. Los mayores centros
de investigación de Brasil están adscritos al MCT.
Costa Rica hizo noticia cuando, luego de la evaluación de varios países de América
Latina, INTEL decidió establecer una planta de microchips en su territorio. Costa Rica
cuenta con el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MICIT), el que promueve, incentiva
y estimula la creación de condiciones apropiadas para que la investigación, la
innovación, el conocimiento y el desarrollo tecnológico del país, apoyen el crecimiento
económico y a una mejor calidad de vida en los costarricenses. Se tiene el régimen de
promoción del investigador, el que consiste en un escalafón de méritos y desempeño,
para impulsar la formación y la integración en el país de un equipo altamente
calificado de investigadores, dedicados a la realización de actividades y proyectos en
ciencia y tecnología.
En el Perú, por múltiples razones, pero sobre todo para optimizar el uso de recursos
destinados a ciencia y tecnología, conviene un Ministerio de Ciencia y Tecnología,
que proponga y lleve a cabo una política científica y tecnológica; y un Grupo
Ocupacional Científico y Tecnológico, para atraer a científicos e ingenieros altamente
calificados residentes en el Perú y en extranjero, y participar en la solución de los
problemas nacionales, en especial de los sectores productivos.

¿DÓNDE QUEDA LA FORMACIÓN EN TECNOLOGÍA?
América Latina en la era digital
Por Modesto Montoya.
Científico

Según el científico Juan Enríquez Cabot, los países que no realicen su inserción en la
economía del conocimiento están condenados a la pobreza. Y esta inserción pasa
primero por el uso de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) en las
actividades de investigación científica y tecnológica, educación, gobierno y salud. El
libro quot;América Latina en la era digitalquot;, publicado por la Universidad Peruana Cayetano
Heredia, muestra que hemos avanzado considerable trecho en esa dirección.
En América Latina se está investigando sobre procesamiento digital de señales, redes
neuronales, robots en medicina. La producción industrial ya empezó un proceso de
automatización, eliminando a su paso puestos de trabajo rutinario.
Se ha fundado la Red Académica Peruana (RAAP) para elaborar y ejecutar proyectos
de colaboración internacional. Se cuenta con una serie de revistas digitales y
bibliotecas virtuales que abren una inmensa ventana de información para los
investigadores. En general, las TIC han permitido la colaboración internacional que
reduce las brechas aún persistentes entre países del hemisferio norte y hemisferio
sur.
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Debido al acceso a la información masiva, las TIC han cambiado el papel del profesor
y da lugar a escuelas rurales y en comunidades indígenas, las que se comunican al
mundo, favoreciendo la valoración de lo diferente y lo propio. En América Latina
existen ya varias experiencias del llamado e-learning y de aprendizaje colaborativo en
un sistema de educación internacional.
Las labores del Ministerio de Relaciones Exteriores del Perú han cambiado
radicalmente con el uso de las TIC, creándose conciencia de la necesidad de cumplir
con los objetivos de desarrollo de la Declaración del Milenio, enfocado en la mejora
del bienestar humano.
Ahora se tiene innumerables comunidades cibernéticas de personas con intereses y
problemas comunes, como es el caso de los pacientes del VIH. Los foros virtuales
permiten a los pacientes investigar sobre sus problemas, y los médicos intercambian
experiencias con sus colegas de todo el mundo. La telemedicina, aplicada en varias
enfermedades, permite que pacientes residentes en lugares alejados tengan acceso
al análisis y al tratamiento por médicos de hospitales avanzados. El Instituto de
Medicina Tropical Alexander Von Humboldt y la Facultad de Medicina de la
Universidad Peruana Cayetano Heredia usan las herramientas de las TIC en el
manejo del VIH/sida. Ahora se cuenta con bases de datos integrados sobre
información clínica, los que pueden llegar a cualquier centro médico y constituir una
plataforma internacional para resolver problemas de diversa naturaleza.
La informática biomédica facilita el procesamiento de abundante información, de datos
y conocimientos para la solución de problemas de salud, así como para la toma de
decisiones médicas. Uno de los aspectos en los que resalta la importancia de las TIC
es el tratamiento de las informaciones genéticas y la simulación de funcionamiento de
proteínas u otros elementos a nivel molecular o celular, lo que facilita la búsqueda de
la terapia adecuada de enfermedades o la creación de medicamentos apropiados.
Con las TIC, se está construyendo una salud de inclusión, rompiendo los muros
geográficos y culturales.
Inspirado en el modelo de la India, el Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e
Innovación Tecnológica (Concytec) da prioridad al desarrollo de las TIC,
considerándolas como una oportunidad para que el Perú exporte conocimiento. Esa
idea es compartida por la Asociación Peruana de Software (Apesoft), la que informa
que cada año crece la exportación de software peruano. Dada la trascendencia del
uso de la TIC, en el Perú se ha creado la Comisión Multisectorial para el Desarrollo de
la Sociedad de la Información (Codesi).
Si bien las TIC constituyen herramientas para desarrollar más rápida y eficientemente
las actividades humanas, cada una de estas mantiene su naturaleza propia, la que
evoluciona a ritmo de los descubrimientos científicos que realiza el cerebro humano,
irremplazable en su función de descubrir y crear. Las TIC facilitan la creatividad, lo
que no debe confundirse con reemplazo al cerebro creativo.
La formación de mentes creativas es una tarea de maestros creativos. Y esos
maestros se forman mejor en la práctica de la investigación y la aplicación de las TIC,
tema que tiene que ser tratado con la celeridad y la seriedad que corresponde a un
país que ahora juega en la misma liga que el coloso estadounidense.

LA CIENCIA AL SERVICIO DE LA HUMANIDAD
50 años de energía nuclear controlada
Modesto Montoya
Miembro de la Academia Nacional de Ciencias

El año 2007, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) cumplió 50 años
promoviendo el uso pacífico de la energía nuclear. Hoy, los laboratorios nucleares
dominan casi todas las disciplinas de la ciencia y la tecnología.
Mi primera interacción con el “organismo” fue en 1979, en el Simposio Internacional
sobre Física y Química de la Fisión, que esa institución coorganizó con el Centro de
Investigación Nuclear de Jülich (KFA: KernForschungAnlage) de Alemania.
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Algunos participantes en ese simposio trabajaban en laboratorios militares y conocían
los secretos del “arma del momento”: la bomba de neutrones, la “bomba limpia” como
la llamaban los entusiastas “porque no destruía edificios ni máquinas”: ¡sólo vidas
humanas..!
Difundir los conocimientos nucleares e impedir su aplicación militar no es una tarea
fácil. Por ello, los propios científicos empezaron un movimiento contra el desvío
militarista del conocimiento. Peter Armbruster, quien dirigía el equipo que en 1994
produciría el elemento más pesado –ahora llamado darmstatio–, era uno de ellos. Él
me invitó a la Conferencia Internacional Scientists for Peace, llevada a cabo en 1986
en Hamburgo (Alemania). Allí se germinó lo que sería el desmantelamiento de una
gran cantidad de cabezas nucleares. Claro que esa disminución era, en gran parte,
gracias a la mayor efectividad de la tecnología de los misiles, generada por los nuevos
materiales descubiertos en los laboratorios nucleares.
A fines de los años 80, esos laboratorios empezaron a diversificarse. En 1983, el KFA
–fundado en 1961 con dos reactores– fortaleció sus laboratorios de materiales y, en
1991, se convirtió en el Centro de Investigación (FZ: ForschungZentrum), donde años
más tarde se descubriría la magnetorresistencia gigante, que le valió el premio Nobel
de Física 2007 a Peter Grünberg, compartido con Albert Fert de la Universidad de
París Sud (esta universidad también tuvo un inicio nuclear, para luego organizar y
sostener equipos interdisciplinarios). En España, la antigua Junta de Energía Nuclear
se convirtió en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y
Tecnológicas (CIEMAT).
El OIEA ha impulsado la investigación en los laboratorios nucleares. En el proceso se
ha generado una corriente de “intersdisciplinariedad” en los más avanzados centros
de investigación nuclear, provocando descubrimientos no necesariamente nucleares,
pero que han cambiado la forma de hacer ciencia y la manera de vivir de la mayoría
de los seres humanos.

NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE

Abel Gutarra Espinoza
Laboratorio de Materiales Nanoestructurados
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Facultad de Ciencias
Universidad Nacional de Ingeniería

El impacto de la nanotecnología empieza ha notarse cada vez mas en nuestro medio
y según todos los analistas estamos viviendo apenas el comienzo de una gran
transformación tecnológica. Ha diferencia de otras, la nanotecnología no está referida
a un producto o proceso específico, sino mas bien, a un conjunto muy amplio de
materiales y dispositivos que perfeccionan los existentes o generan otros totalmente
nuevos. Cuando se puso en evidencia que los materiales cambian sus propiedades
físicas y químicas al disminuir su tamaño entre 1-100 nm, se abrió la posibilidad de
innovar en procesos productivos tan amplios y variados como los que se muestran en
la Tabla 1.

Tabla 1. Diversas áreas productivas donde la nanotecnología ha
introducido innovaciones
Industria Automotriz Construcción Cosméticos
Materiales ligeros Materiales aislantes Bloqueadores
Pintura Anti-llama Cremas para la piel
Catálisis Recubrimientos Dentrífico
Sensores
Industria Química Medicina Alimentos y bebidas
Aditivos para pinturas Liberación farmacos Empaques
Aditivos en papel Medios de contraste Sensores
Adhesivos Prótesis, implantes Clarificadores
Fluidos magnéticos Agentes bactericidas
Ingenieria Textiles Utilitarios
Recubrimientos para Recubrimientos Recubrimientos cerámicos
metales Textiles inteligentes Removedores de olores
Lubricantes Fibras antibacteria Limpiadores de vidrio etc.
Electrónica Energía Deportes
Displays Celdas de Skies
Memorias combustible Raquetas de tenis
Diodos laser Celdas solares Antinieblas
Fibras ópticas Baterías
Films antiestáticos Capacitores

Impacto económico

Se han hecho varios estudios sobre el impacto económico de las nanotecnologías.
Nuestro interés, como país en desarrollo, es especialmente importante, debido a que
toda revolución tecnológica ofrece una oportunidad de bienestar si se logra asimilarla
e incorporarla socialmente, pero también puede convertirse en un elemento de
dependencia o de marginación [1].

La National Science Fundation predice un mercado de 1 billón de dólares en
productos nanotecnológicas el año 2015 [2]; Lux Research, Inc. pronostica que para el
2014 los productos que incorporen nanotecnología será el 15% del total
manufacturado que sumarán 2,6 billones de dólares [3].

Investigación en Iberoamérica

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Brasil lanzó el 2001 su iniciativa nacional. Estableció un plan de actividades 2004-
2007 con 25 M de dolares/año y cuenta con aproximadamente 300 PhDs trabajando
en nanotecnología.
Argentina participa en el Centro Argentino-Brasileño de Nanotecnología en el marco
del MERCOSUR. En junio de 2005 se presentó en la Cámara de Diputados el
Proyecto de “ley Marco del Plan Nacional Estratégico de Desarrollo de Micro y
Nanotecnologías” con un fondo inicial de 10 M dolares. Uruguay inauguró el Centro de
Nanomateriales NanoMat en abril de 2008. En conexión con la Universidad de la
República para apoyar el desarrollo productivo en los sectores farmacéutico,
alimentario y medioambiental. El presidente del Gobierno uruguayo, Tabaré Vázquez,
inauguró el Centro que tuvo el apoyo de la Comisión Europea. Estos son sólo algunos
ejemplos de países cercanos que muestran la necesidad de establecer una estrategia
nacional respecto a las nanotecnologías.
El número de publicaciones y patentes son los indicadores más importantes del
desarrollo que ha logrado un país en la creación y difusión de la tecnología. Como se
muestra en las figuras 1 y 2, entre los países latinoamericanos, Brasil, México y
Argentina, producen más del 70% del total de publicaciones y la cifra es aún mayor
respecto a patentes. Aunque en el Perú se ha incrementado notablemente la
investigación en nanotecnología, todavía no alcanzamos el umbral de producción para
figurar en las estadísticas.

Figura 1. Publicaciones en nanotecnologías [4] Figura 2. Patentes en
nanotecnología [4]

Ejemplos de investigaciones locales en nanotecnologías relacionadas al Medio
Ambiente.

Filtros adsorbentes y bactericidas.

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Las arcillas son minerales subvalorados en nuestro medio. Cuando no son exportados
por volumen, o usados en la construcción, son apenas procesados antes de su venta.
Sin embargo, algunos tipos de arcillas como la montmorillonita, tiene una estructura
cristalográfica con cavidades bidimensionales entre 1-2 nm de espesor y varios miles
de nanómetros en las otras dos direcciones. Estas cavidades, que denominamos
nanoporos, pueden adsorber (atrapar) moléculas polares orgánicas o iones
metálicos. De este modo actúan como materiales para descontaminación de aguas o
gases. Grupos de investigación de las universidades de Ingeniería, Católica y San
Marcos han logrado modificar estas estructuras, ampliando los nanoporos por medio
de un ataque ácido controlado (activación) o agrandando los nanoporos introduciendo
entre sus paredes, columnas moleculares que incrementan la separación entre ellas
agrandando el tamaño de los nanoporos (pilareado). Este tipo de arcillas modificadas
han sido probadas con éxito en la retención de colorantes en efluentes textiles,
metales pesados y toxinas en alimento animal.

Actualmente el mismo grupo interinstitucional viene desarrollando filtros bactericidas.
Estos consisten en una matriz de arcilla compacta o microporosa, que incorpora
nanopartículas de plata, cuya función es eliminar bacterias o virus patógenos en el
agua.

Biosensores.

Un biosensor es un dispositivo cuyo elemento sensible es una biomolécula. Esta
biomolécula se elige para que pueda enlazarse específicamente a otra cuya presencia
se quiere determinar. Cuando dos moléculas se enlazan, pueden ocurrir varios
fenómenos, por ejemplo pueden generar carga eléctrica, modificar el pH del medio,
incrementar la temperatura, cambiar de color etc. Cualquiera de estos efectos puede
ser detectado por un sistema electrónico y convertido en un valor numérico de fácil
lectura para el usuario.
Grupos de la Universidad e Ingeniería, Católica y Cayetano Heredia han desarrollado
un tipo de biosensor denominado ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). En
este caso, la biomolécula, un anticuerpo, se inmoviliza sobre la capa aislante de un
transistor. Si el antígeno correspondiente al anticuerpo se encuentra en el medio
acuoso, estos se enlazan induciendo carga en el transistor, activando un circuito
eléctrico. Este tipo de sensores, operan con muy bajo consumo de energía, la
respuesta es muy rápida y sensible y tienen la ventaja que puede hacerse específicos,
eligiendo la biomolécula de interés para una realidad social. Las aplicaciones
prioritarias en nuestro país se orientarían a la detección de bacterias o virus que
ocasionan enfermedades gastrointestinales.

Descontaminación de agua con nanopartículas.

Desde hace varios años, grupos de la Universidad Nacional de Ingeniería y del
Instituto Peruano de Energía Nuclear han diseñado diversos dispositivos para la
purificación de agua usando nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2). Cuando la
radiación del sol incide sobre estas partículas sumergidas en el medio acuoso, se
generan cargas en su superficie y estas a su vez generan radicales altamente
oxidantes que pueden degradar moléculas orgánicas tóxicas presentes en el medio
acuoso. Estos sistemas han sido usados con éxito a nivel de laboratorio para la
degradación de colorantes textiles y eliminación de compuestos orgánicos volátiles.
Recientemente se han evaluado con buenos resultados en colectores solares y bolsas
plásticas de gran volumen, para aprovechas sus efectos bactericidas.

Uno de los proyectos mas recientes, en los que varios grupos están dedicados es en
la fabricación de nanopartículas magnéticas de óxido de hierro. La estrategia para
descontaminación detrás de este tipo de materiales, es la capacidad de poder separar
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del medio acuoso estas nanopartículas empleando un imán. Actualmente ya se
fabrican las nanopartículas magnéticas a escala de laboratorio, aunque se continúan
optimizando las condiciones físico-químicas que permiten fabricar nanopartículas
esféricas idealmente del mismo diámetro. El siguiente paso, es funcionalizarlas, es
decir, fijar en su superficie moléculas específicas que puedan atrapar a las moléculas
contaminantes del medio, para finalmente retirarlas del medio de un campo
magnético.

Las universidades, el Consejo Nacional de Ciencia Tecnología e Innovación
(CONCYTEC) y la Academia Nacional de Ciencia y Tecnología (ANCYT) son las
principales instituciones que vienen promoviendo la investigación y difusión de las
nanotecnologías en el Perú. Sin embargo, la magnitud y rapidez de los avances hacen
evidente que debería establecerse una organización integradora a nivel nacional,
estableciendo prioridades y planes realistas. Estas discusiones recién han empezado
en nuestro país.

Referencias

[1] Nanotechnologies in Latin America. Guillermo Foladori, Noela Invernizzi (Ed.).
Rosa-Luxemburg-Stiftung Manuskripte 81. (2008)
[2] Nacional Science Fundation. (NSF). http://www.nsf.gov/crssprgm/nano/
[3] Environmental Claims Journal, 20 (2), 144-159, 2008
[4] Organización de Estados Iberoamericanos para la Educación, la Ciencia y la
Cultura (OEI). http://www.oei.es/1108.htm

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SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE ARCILLAS ORGANOFÍLICAS Y SU APLICACIÓN COMO
ADSORBENTE DE FENOL.

José C. Lazo1*, Abel E. Navarro2, María R. Sun-Kou1, Bertha P. Llanos3

Resumen

La característica hidrofílica intrínseca de una arcilla bentonita sódica fue modificada mediante intercambio
catiónico con sales de amonio cuaternario para evaluar su capacidad para eliminar fenol a partir de
soluciones acuosas. La arcilla natural no reportó adsorción significativa, mientras los cationes orgánicos:
tetrametilamonio (TMA) hexadeciltrimetilamonio (HDTMA) y benciltrietilamonio (BTEA) demostraron
mejorar la capacidad de adsorción de la arcilla en diferentes magnitudes. La caracterización estructural y
morfológica de las arcillas modificadas así como el estudio de las isotermas de Freundlich y Langmuir;
indican que tanto la capacidad como el mecanismo de adsorción están determinados por la naturaleza
química de cada uno de los cationes cuaternarios.

Palabras clave: arcilla, bentonita, amonio cuaternario, adsorción, fenol.

Abstract

The intrinsically hydrophilic characteristic of sodic bentonite clay was modified by cationic exchange with
quaternary ammonium salts in order to evaluate their capacity on the removal of phenol from aqueous
solutions. The natural clay reported no significant adsorption, whereas the organic cations:
tetramehtylammonio (TMA), hexadecyltrimethylammonio (HDTMA) and bencyltriethylammonio (BTEA)
showed an enhanced adsorption capacity for the clay in different magnitudes. The structural and
morphological characterization of the modified clays, as well as the study of Freundlich and Langmuir
isotherms; indicate that the adsorption capacity and mechanism are determined by the chemical nature of
each quaternary cation.

Keywords: clay, bentonite, quaternary ammonium, adsorption, phenol.

INTRODUCCIÓN

La presencia de fenol y sus derivados en agua y aguas de desecho es de gran preocupación mundial a
causa de su toxicidad en seres humanos y medio ambiente. Los fenoles son encontrados naturalmente
en combustibles fósiles, pero también son producidos por muchas industrias1. Si bien no se ha
comprobado efectos carcinógenos del fenol en humanos, existen ciertas evidencias, a partir de estudios
en animales, que el fenol puede ser una toxina reproductiva. Por otro lado, compuestos fenólicos
clorados producen complejos con olor y sabor desagradable. La cloración de fenoles no solo acentúa su
olor y sabor, sino también sus efectos tóxicos y es debido a ello que la Agencia de Protección Ambiental
Americana (EPA) recomienda disminuir la cantidad de fenol en aguas residuales hasta una concentración
máxima de 1 mg/L2. Los métodos usados en la eliminación de compuestos fenólicos de soluciones
acuosas fueron clasificados en métodos destructivos, tales como oxidación con ozono y métodos
recuperativos como adsorción en sólidos porosos.
El proceso de adsorción, es el método más ampliamente usado para controlar la contaminación de los
efluentes líquidos que contienen fenol o sus derivados. Otros tratamientos empleados son la degradación
enzimática o los procesos biológicos3.
Muchos estudios se han llevado a cabo en los últimos años para encontrar adsorbentes efectivos y de
bajo costo para el tratamiento de residuos acuosos fenólicos, entre los cuales destacan el uso de carbón
activado4, zeolitas5 y sílice modificada6.
Las arcillas modificadas con sales de amonio cuaternario también han sido usadas en la adsorción de
fenoles7,8. Dichas arcillas se modifican mediante la sustitución de los cationes neutralizadores inorgánicos
altamente hidratados por cationes orgánicos no hidratados, los cuales van a modificar estructuralmente el
mineral, del carácter hidrófilo que poseía originalmente a un carácter hidrófobo, transformándolas en
adsorbentes organofílicos, mediante este proceso se logra: desarrollar su capacidad de retener

1
* Sección Química, Departamento de Ciencias, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av.
Universitaria 1801, Lima 32, Perú. E-mail: lazoc.jc@pucp.edu.pe
2
Chemistry Department, Graduate School of Arts and Science, New York University, New York,
NY, 1 0003, US.
3
Departamento de Química, Facultad de Ciencias y Filosofía “Alberto Cazorla Tálleri”, Universidad
Peruana Cayetano Heredia, Av. Honorio Delgado 430, Lima 31, Perú.
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moléculas orgánicas, modificar el área específica de la arcilla y generar espacios (poros) con grupos
funcionales apolares muy activos que favorecen la adsorción de compuestos orgánicos como benceno 9 ,
fenantreno10 , entre otros.
Por otra parte, en el campo de la adsorción y remoción de contaminantes es ampliamente difundido
el uso de isotermas de adsorción y la determinación del parámetro “q”, que mide la capacidad de
adsorción del substrato (adsorbato) en el adsorbente (expresado en mg de substrato/ g del adsorbente) y
el parámetro “C” que expresa la cantidad de adsorbato en la solución después de haber llegado al
equilibrio en el proceso de adsorción. Las isotermas más usadas son:

Isoterma de Freundlich: en la que se asume que la superficie del adsorbente es energéticamente
heterogénea, conformada por grupos de sitios de adsorción de energías características. También en esta
isoterma se considera que no existen interacciones laterales entre las moléculas adsorbidas y que sólo
se adsorbe una monocapa.

Se define por la ecuación:

q = kf . C1/n (1)

donde kf es la constante de capacidad de adsorción y n la constante de intensidad de adsorción. La
ecuación linealizada de Freundlich se expresa usualmente en su forma logarítmica:

log (q) = log (kf) + 1/n log (C) (2)

los valores de Kf y 1/n pueden ser obtenidos del intercepto y la pendiente que resultan de graficar log(q)
v.s. log(c).

Isoterma de Langmüir: Se basa en la hipótesis que todos los centros activos de adsorción son
equivalentes y que la capacidad de una molécula para unirse a la superficie es independiente de si hay o
no posiciones próximas ocupadas. Además, la adsorción se restringe a una monocapa y no existen
interacciones laterales entre las moléculas del adsorbato. La isoterma esta representada por la ecuación:

q = q m b C / (1+ b.C) (3)

siendo C la concentración del adsorbato en el equilibrio (en mg/L), qm la capacidad máxima de adsorción
(en mg/g) y b es la constante de Langmüir de afinidad o energética en unidades de L/mg.

PARTE EXPERIMENTAL

Preparación de los adsorbentes:
Como materia prima se utilizó una arcilla del tipo bentonita procedente de las canteras cercanas a la
ciudad de Piura, en la zona norte del Perú. Para eliminar las impurezas que generalmente acompañan a
la arcilla, como son feldespatos, cuarzos, micas y materia orgánica, se siguió un proceso de purificación
mediante decantación controlada.
Para ello se preparó una suspensión de la arcilla en agua destilada y luego de 16 oras se separaron los
primeros 20 cm de suspensión, que por aplicación de la Ley de Stokes corresponden a la fracción menor
a 2µm que es de gran pureza y es el tamaño adecuado de partícula para favorecer el intercambio iónico
posterior con las sales de amonio.
Para la preparación de cada una de las 3 arcillas modificadas se siguió el siguiente procedimiento: Se
suspendió 20g de arcilla purificada en 2L de agua destilada con agitación magnética constante por 2
horas. Una vez suspendida la arcilla se agregó un equivalente a 1.5 CEC (el equivalente a la Capacidad
de Intercambio Catiónico de la arcilla fue 60mmol/100g) de la sal de amonio respectiva (99.99 % Sigma-
Aldrich). El intercambio iónico se llevó a cabo por 12 horas a 25º C, luego se filtró a vacío y lavó
repetidamente con abundante agua destilada hasta eliminar el ión haluro en exceso, posteriormente el
material se secó por dos días a 60º C, seguidamente se molió y tamizó en malla número 100 (150 µm de
diámetro de partícula).
Las arcillas intercambiadas fueron identificadas de la siguiente forma:
PT00: arcilla bentonita natural.
PT01: arcilla bentonita intercambiada con tetrametilamonio cloruro.
PT02: arcilla bentonita intercambiada con hexadeciltrimetilamonio cloruro.
PT03: arcilla bentonita intercambiada con benciltrietilamonio bromuro.

Preparación de las soluciones fenólicas:
Se preparó suficiente cantidad de solución stock de fenol (MERCK, 99,9% pureza) de 1000 mg L-1. Las
soluciones para todos los ensayos de adsorción se prepararon por dilución de la solución stock hasta
obtener la concentración deseada.

Adsorción de fenol en las arcillas organofílicas:
Los ensayos de adsorción se llevaron a cabo a 25°C, con soluciones de fenol cuyas concentraciones
variaban desde 50 a 700 mg L-1. El tiempo de contacto entre adsorbente y adsorbato fue de 6 horas en
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agitación constante (500 rpm). Se obtuvieron dos isotermas con 100 y 500 mg para cada adsorbente, en
50 mL de solución. Las isotermas se realizaron en las condiciones más favorables para la adsorción de
fenol para cada una de las arcillas11, siendo los pH óptimos: 4, 10 y 2 para PT01, PT02 y PT03
respectivamente.
La cuantificación de fenol fue de acuerdo al método seguido por Gales y Booth12, el cual se basa en la
medida de absorbancia a 510 nm del complejo formado por el fenol y la 4-aminoantipirina en medio
básico, para la evaluación se utilizó un espectrofotómetro Perkin Elmer modelo Lambda 2.

Caracterización de los adsorbentes:
La composición química elemental de la arcilla natural y las modificadas se realizó por la técnica ICP –
multielementos en el laboratorio de análisis PLENGE en Lima. El contenido de nitrógeno en cada una de
las arcillas organofílicas se realizó siguiendo los estándares de análisis de la AOAC (Association of
Official Analytical Chemists).
Los análisis estructurales mediante Espectroscopía Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) se
realizaron en un equipo Perkin Elmer modelo 1600.
La caracterización textural de las muestras se realizó por el método de adsorción - desorción de
nitrógeno a la temperatura de 77K. El equipo utilizado para la realización de las isotermas fue un
Micromeritics modelo ASAP 2000. Los gases utilizados en el análisis fueron N2 y He, ambos con 99,99%
de pureza. El procedimiento con todas las muestras comenzó con un pre-tratamiento de desgasificación
a 200 °C por 12 h y con un vacío residual de 10-6 atm. Este tratamiento tuvo como objeto eliminar
sustancias adsorbidas en la superficie del sólido (generalmente agua), que interferirían en la adsorción
del gas de análisis (N2) en el caso de permanecer en la muestra. Las isotermas de adsorción se
obtuvieron mediante la representación del volumen del gas adsorbido (cm 3/g muestra) frente a la presión
relativa de N2 (P/P0).

La separación entre las láminas de arcilla que origina la presencia de las especies intercaladas en el
espacio interlaminar se evaluó mediante la medida del espaciado basal d001, obtenido por difracción de
rayos X a ángulos bajos. Las medidas de dichos espaciados basales se realizaron en un Difractómetro
Shimadzu modelo XRD-6000, con energía de 40Kv y 30 mA. Se empleó la radiación Ka del cobre (λ =
1,5404 Å), filtrada a través de níquel. Los barridos de difracción se realizaron entre un valor del ángulo
(2θ ) de 4° á 65°.

Procesamiento de Datos:
La capacidad de adsorción (q) de las arcillas se determinó mediante la correlación:
q = V (Ci – Ce) / m, donde Ci es la concentración inicial de fenol (mg L-1), Ce es la concentración de
fenol en el equilibrio (mg L-1), V es el volumen de solución expresado en litros, m es la masa de
adsorbente expresada en gramos y q es la capacidad de adsorción (mg g-1).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En relación a los resultados de la caracterización de los materiales. En la tabla 1 se observa que en
las arcillas modificadas PT01, PT02 y PT03 el contenido de calcio y sodio disminuye entre 3 y 32 veces
después del tratamiento de éstas con las sales de amonio cuaternarios, dando evidencia que los iones
metálicos han sido sustituidos por los respectivos iones orgánicos con los cuales se modificó la arcilla
natural.
Dichos resultados fueron confirmados con la evaluación de los contenidos de nitrógeno, los cuales fueron
mayores en las arcillas modificadas en comparación a la arcilla natural (Tabla 2). Adicionalmente, la
arcilla PT01 presentó la mayor cantidad de nitrógeno y la PT02 la menor, dado que las condiciones de
preparación permitió un intercambio iónico completo, esta diferencia se atribuye posiblemente a la mayor
contribución en peso de nitrógeno en el ión tetrametilamonio (PM 109 g/mol) y a la menor contribución
del mismo en el ión hexadeciltrimetilamonio (PM 364 g/mol) respectivamente.

Tabla 1: Composición química de la arcilla natural (PT00) y las modificadas (PT01, PT02, PT03).

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Tabla 2: Porcentaje en peso de nitrógeno en la arcilla natural (PT00) y las modificadas (PT01, PT02,
PT03)

Las figuras 1A, 1B, 1C y 1D, muestran los espectros infrarrojos de la arcilla natural y las arcillas
modificadas PT01, PT02 y PT03 respectivamente

Figura 1A y 1B: Espectro FTIR de las arcillas natural (arriba) y PT01 (a bajo) respectivamente.

Figura 1C y 1D: Espectro FTIR de las arcillas PT02 (arriba) y PT03 (abajo) respectivamente.

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De los espectros se observa que la principal diferencia entre la arcilla natural y las modificadas es la
señal de mediana intensidad en el rango 1450 y 1500 cm-1 que aparece solo para las arcillas
modificadas. Esta señal es debida a la torsión del enlace carbono-hidrógeno y no aparece en la arcilla
natural al no haber sido ésta intercambiada con los cationes orgánicos y al mismo tiempo al haber sido
purificada (ausencia de materia orgánica). Adicionalmente en la figura 1C (PT02) se aprecia una señal
doble en el intervalo 2800-2900 cm-1 que corresponde a una cadena hidrocarbonada, esta señal es
particularmente notoria en esta arcilla debido probablemente a la gran extensión de la cadena carbonada
de la sal de amonio.
Por otra parte, los cuatro gráficos tienen en común una banda ancha entre 3450-3650 cm-1
correspondiente a la frecuencia de vibración del enlace oxígeno-hidrógeno pertenecientes a las
moléculas de agua retenidas o cristalizadas en las muestras. La señal mas intensa en todos los casos
aparece en el rango 850-1150 cm-1, la cual corresponde muy posiblemente a señales superpuestas
correspondientes a las vibraciones asimétricas de los enlaces tipo amina (carbono-nitrógeno), presentes
en las arcillas modificadas con sales de amonio y los enlaces silicio-oxígeno-silicio13 presentes en todas
las arcillas.
Los resultados del análisis textural de las muestras se resumen en la tabla 3 y en la figura 2.

Tabla 3. Superficie BET de las arcillas natural y modificadas

Figura 2. Isotermas de adsorción de N2 de las arcillas natural y modificadas con sales de amonio

En la figura 2 se muestran las isotermas comparativas de las arcillas modificadas con la arcilla natural.
Todas las curvas obtenidas se pueden clasificar dentro de las isotermas tipo IV según la clasificación
Brunauer-Demming-Demming-Teller (BBDT)14. La parte inicial de las isotermas corresponden a la
formación de la monocapa (zona microporosa) y la restante a la adsorción en multicapa (zona
mesoporosa). Adicionalmente, se observa que el tratamiento de intercambio con sales de amonio
aplicado en las arcillas, no ha modificado los ciclos de histéresis de las isotermas, las cuales
corresponden al tipo H3 que se atribuye a sólidos con poros laminares.
Comparando las isotermas, se observa que para la muestra PT01 hay un incremento apreciable del área
superficial en relación con la arcilla natural, siendo mayor en la zona microporosa que en la mesoporosa,
esto posiblemente se deba a que el tetrametilamonio, que posee cationes cuaternarios con cadena
hidrocarbonada pequeña, se encuentre insertado entre las láminas de la arcilla actuando como pilares
no hidratados que mantienen separadas las láminas exponiendo la superficie interior de la arcilla, sin
alterar su estructura y generando microporos, comportamiento muy similar al que se produce cuando se
apilara una arcilla con algún hidroxicatión metálico.
La muestra PT03 sólo muestra un ligero incremento del área en relación con la arcilla natural, esta
variante solo se observa en la zona mesoporosa, indicando la posibilidad de que el benciltrimetilamonio
se ubique en la superficie externa de la arcilla formando una o varias capas. Por el contrario, la muestra
PT02, se aprecia una reducción de la superficie específica, como consecuencia lógica del llenado de
poros por las largas cadenas orgánicas. En todos los casos un incremento de la masa molecular de la sal

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de amonio incorporada a la arcilla, esta en concordancia con el incremento del tamaño promedio de poro
que presenta cada muestra.
En la figura 3 se muestra el Difractograma de Rayos X (DRX) de la arcilla natural y en la tabla 4
aparecen los patrones de difracción identificados a partir de las fichas ASTM (fichas ASTM 13-259 y 29-
1498). La muestra corresponde a una arcilla esmectítica del tipo montmorillonita con presencia de otros
minerales como impurezas: feldespato en la forma del mineral muscovita, cristobalita y cuarzo.
En la figura 4 se muestran los difractogramas (DRX) de la arcilla natural comparada con las arcillas
intercambiadas con sales de amonio y en la tabla 5 aparecen los valores de los espaciados
interlaminares d001 de cada muestra.

Figura 3. Difractograma de la muestra de arcilla natural

Tabla 4. Patrones de difracción de los minerales arcillosos

Figura 4.
DRX de la arcilla natural y de las muestra s PT01, PT02 y PT03
Tabla 5. Valores de los espaciados interlaminares

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En la figura 4, se puede observar que todas las muestras a partir de ángulos mayores a 2θ = 19° siguen
el mismo patrón cristalográfico, lo cual indicaría que la intercalación de las sales de amonio en las arcillas
no ha afectado la estructura del tipo 2:1 característica de la bentonita. Sin embargo a ángulos bajos si se
observan diferencias principalmente en el espaciado basal d00 1 correspondiente al espaciado
interlaminar. Como se aprecia en la tabla 5, en las arcillas intercambiadas con sales de amonio se
aprecia un corrimiento de dicho valor hacia ángulos menores, lo que se refleja en un incremento de la
separación interlaminar (d001) en concordancia con la masa molecular de la sal de amonio incorporada.
Así, la muestra PT01 intercalada con tetrametilamonio, que posee cationes cuaternarios con cadena
hidrocarbonada pequeña, presenta un espaciado menor que la muestra PT03 intercalada con
benciltrimetilamonio. Los trabajos realizados por Lagaly15 para establecer una ordenación interlaminar
de los cationes orgánicos en función del espaciado basal, permiten relacionar un espaciado basal de
13,7 Å con la adsorción de una monocapa de cadenas alifáticas paralelas a la superficie de las láminas
de la arcilla; el valor de 17,7 Å se corresponde con a la adsorción de una bicapa; y el valor de 21,7 Å se
relaciona con la presencia de una pseudocapa de espesor equivalente a tres cadenas alquílicas
paralelas a la superficie.
Los espaciados basales d001 obtenidos para las muestras PT01 y PT02, muestran una estructura
cercana al tipo monocapa, en tanto que para la muestra PT03 podría acercarse a una adsorción de una
posible bicapa.

El análisis morfológico de las muestras se realizó mediante el empleo de un Microscopio Electrónico de
Barrido modelo PHILIPS XL-SERIES.

Figura 5A y 5B: Micrografias de las arcillas natural (izquierda) y PT01 (derecha) a 6950 X.

Figura 5C y 5D: Micrografías de las arcillas PT02 (izquierda) y PT03 (derecha) a 6950 X.

Figura 6A y 6B: Micrografias de las arcillas natural (izquierda) y PT01 (derecha) a 15000 X.

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Figura 6C y 6D: Micrografías de las arcillas PT02 (izquierda) y PT03 (derecha) a 15000 X.

En las figuras 5A, 5B, 5C y 5D se observa un significante cambio en la morfología producido en la arcilla
natural como consecuencia del intercambio con las distintas sales de amonio. Comparadas con la arcilla
natural, en las arcillas modificadas se observa una gran cantidad de partículas finamente conglomeradas.
En las micrografías de las mismas muestras con un aumento de 15000X, se aprecia una aparente
pilaridad en las arcillas modificadas (Figuras 6A, 6B, 6C y 6D). Sobre esto último, Frost et al. proponen
un complejo mecanismo de transformación interlaminar en las arcillas que incluye la formación de
monocapas paralelas y verticales, bicapas y pseudotricapas16. En dicho estudio, se sugiere también que
a bajas concentraciones de los cationes orgánicos (>= 0,5CEC) la intercalación de iones metálicos de la
arcilla con los iones orgánicos es aleatoria, y a medida que aumenta su densidad de empaque (= 1.0
CEC) se empieza a tener un patrón regular de intercambio iónico en la arcilla. Esta última idea difiere de
un estudio previo de Lee et al. quienes sugiere la formación repetitiva de “capas sobre capas” de
dimensiones constantes en la arcilla, independientemente de la cantidad de iones orgánicos
disponibles17.

Isotermas de Adsorción.
Las figuras 7, 8 y 9 muestran las isotermas de adsorción de fenol obtenidas para cada una de las arcillas
modificadas variando la cantidad de adsorbente para el rango de concentraciones de fenol estudiado.
Como se puede observar, en el caso de la arcilla PT02 (fig. 8) se tiene una isoterma de tipo lineal lo que
indicaría que el mecanismo predominante en la interacción adsorbente-adsorbato es un mecanismo de
partición no competitivo, el cual implicaría la formación de una fase orgánica en la superficie de la arcilla
formada por las largas cadenas carbonadas del hexadeciltrimetilamonio donde las moléculas de fenol
quedarían retenidas por fisisorción. La isoterma lineal y el mecanismo de adsorción por partición no
competitivo es característica para las sales de amonio que contienen cadenas lineales largas (= 12
carbonos) y esta ampliamente desarrollado en la bibliografía 18,19. Las figuras 7 y 9, correspondientes a las
arcillas PT01 y PT03, muestran isotermas de adsorción no lineales, dicho comportamiento se atribuye a
un mecanismo de adsorción competitiva. Se sugiere que posiblemente, debido a su pequeño tamaño, los
cationes orgánicos de tetrametilamonio (TMA) y benciltrietilamonio (BTEA) se encuentran aislados uno de
otros respectivamente en la fase interlaminar de la arcilla lo que les imposibilita formar una fase de
partición, actuando de ésta manera como centros de adsorción independientes lo que concuerda con el
mecanismo propuesto de adsorción competitiva.

Figura 7. Isoterma de Adsorción para la arcilla modificada PT01.


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En las figuras 10 y 11 se muestran la representación de los datos experimentales de las isotermas de
acuerdo con el modelo linealizado de la isoterma de Freundlich para las arcillas modificadas. Como se
puede apreciar la arcilla PT02 muestra la mayor tendencia lineal tanto en bajas como en altas
concentraciones de fenol, lo que apoya la hipótesis de un mecanismo de adsorción por partición no
competitivo mencionado previamente. Se observa así mismo que las arcillas PT01 y PT03 muestran
también una buena aproximación a la forma lineal de la ecuación de Freundlich en los cinco primeros
puntos, esta aproximación es mayor en la PT03 que en la PT01. Para estas dos arcillas dos aspectos
importantes se pueden discutir; la tendencia lineal es mucho más pronunciada cuando menor es la
cantidad de adsorbente; y al mismo tiempo se observa, de las pendientes de las rectas, que a menor
cantidad de arcilla se aprecia una mayor afinidad por el fenol. Estas dos observaciones fortalecen la
idea de que los iones orgánicos pequeños como el tetrametilamonio o benciltrietilamonio forman sitios de
adsorción específica en los espacios interlaminares de la arcilla, y a mayor separación entre estos
centros de adsorción mejor es la adsorción producida.

Figura 10. Isotermas de Freundlich para las arcillas PT0 (izquierda) y PT02 (derecha).

Figura 11. Isoterma de Freundlich para la arcilla PT03.

La representación de los datos experimentales de acuerdo con el modelo linealizado de Langmuir,
muestra resultados muy parecidos con los obtenidos en las figuras 12 y 13. Nuevamente en la arcilla
PT02 se observa una relación lineal casi perfecta con el modelo de Langmuir, mientras que para las
arcillas PT01 y PT03 la correspondencia lineal y también la capacidad de adsorción disminuyen conforme
aumenta la cantidad de adsorbente en la solución. En la tabla 6 se resumen los distintos valores de los
parámetros de Freundlich y Langmuir. La mayor correlación de los datos experimentales con el modelo
de Langmuir parece indicar que el proceso de adsorción se produce a través de centros activos
homogéneos y energéticamente equivalentes.
Adicionalmente, dichos valores son congruentes con la mayor capacidad de adsorción de fenol de la
arcilla PT02 como se reportó en un trabajo previo 11. Al mismo tiempo hay concordancia lineal con los
valores menores de q (parámetro de Langmuir) conforme aumenta la masa de adsorbente; esto último es
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especialmente relevante para las arcillas PT01 y PT03 para las cuales el parámetro de adsorción
disminuye entre 4 y 35 veces al incrementarse en cinco veces la cantidad de adsorbente.

Figura 12. Isotermas de Langmuir para las arcillas PT01 (izquierda) y PT02 (derecha).

Figura 13. Isotermas de Langmuir para la arcilla PT03.

Tabla 5. Parámetros de Freundlich y Langmuir para las arcillas modificadas.

CONCLUSIONES
• A partir de una arcilla bentonita, se sintetizó tres (3) arcillas organofílicas por medio de intercambio
catiónico a partir de distintas sales de amonio cuaternario. El mecanismo de intercambio entre los iones
metálicos de las arcillas y los cationes orgánicos de amonio no esta completamente establecido aún en
la bibliografía, sin embargo parece estar involucrado distintas etapas que incluyen la formación de una
fase orgánica compuesta de monocapas (paralelas y verticales), bicapas y pseudotricapas.
• Las arcillas organofílicas presentan una mayor retención de fenol que la arcilla natural y de éstas la
arcilla PT02 intercalada con hexadeciltrimetilamonio presenta la mayor capacidad de adsorción.
• El mecanismo de adsorción en las arcillas organofílicas se presume estar fuertemente influenciado por
la longitud de la cadena hidrocarbonada de la sal de amonio. Cadenas largas favorecen un mecanismo
de partición e isotermas de adsorción lineales mientras que las cadenas de menor tamaño favorecen
unas adsorciones competitivas e isotermas no lineales.
• Los resultados obtenidos alientan al estudio de adsorción de otros compuestos fenólicos con las
arcillas organofílicas, las cuales pueden convertirse en efectivos adsorbentes de bajo costo relativo para
tratar los residuos contaminantes.
.
AGRADECIMIENTOS

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_

Este estudio fue financiado por el proyecto 152-2006-CONCYTEC-OAJ concedido por el Consejo
Nacional de Ciencias y Tecnología. Los autores deseamos agradecer a Norma Cuizano, a la Sección
Química del Departamento de Ciencias de la PUCP y al Departamento de Química de la Facultad de
Ciencias y Filosofía de la UPCH por el apoyo brindado en el desarrollo de este trabajo así como también
al Laboratorio del Departamento de Química Aplicada de la Facultad de Ciencias Químicas de la
Universidad del País Vasco (San Sebastián) por el apoyo prestado en la caracterización textural de las
muestras.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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TECNOLOGIAS LIMPIAS PARA LA RECUPERACIÓN DE BIOGAS

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Ingaruca Alvarez, Ever Florencio4, Roque Aguilar, Evelyn Malena5, Trujillo Huamán,
José Luis

RESUMEN

La formación de metano en un relleno sanitario se va ha dar gracias al proceso de
biodegradación de los materiales depositados. Estimar la producción del biogas y
específicamente del metano es una de las preocupaciones de todos porque el gas
poderosamente el medio ambiente y en muchas veces es necesario utilizarlo como
fuente de energía. Es por ello que en este trabajo de investigación se formuló un
modelo matemático para predecir la generación de metano en un relleno sanitario y
luego validar el modelo con datos experimentales de la producción de metano del
relleno sanitario de Paccha. El modelo matemático para la generación de metano en
un relleno sanitario esta conformado por 2 ecuaciones diferenciales simultáneas, las
cuales se resolvieron con el software Matlab. El modelo fue calibrado considerando
que la cantidad de residuos sólidos que ingresan a un relleno sanitario es de 200
toneladas por día durante y por un período de 10 años. La validación del modelo
matemático se realizo con datos experimentales del metano generado en el relleno
sanitario de Paccha y las cuales después de ser analizadas en el cromatógrafo de
gases del laboratorio de instrumentación de la Facultad de Ingeniería Química nos
indican que actualmente se viene generando 779 626 m3 CH4/año.

Palabras Claves: Biogas, Eco-eficiencia, Tecnología Limpia

1. Introducción

Durante muchos años, gran parte de los esfuerzos de control ambiental en la
industria, estuvieron centrados, principalmente, en el tratamiento de los residuos
líquidos, gaseosos y sólidos. Sin embargo, las graves crisis ambientales sufridas por
muchos países industrializados en las últimas décadas, han modificado drásticamente
tales enfoques.

Resulta lógico, por lo tanto, llevar a cabo todos los esfuerzos necesarios, para
reducir tales pérdidas de recursos e incrementar la productividad global del
proceso. De este modo, se logra una reducción de los residuos generados y también
una disminución de los recursos consumidos por unidad de producto.

Este concepto de eco-eficiencia es uno de los pilares de las estrategias modernas de
control ambiental, ya que al incrementar la eficiencia de utilización de los recursos, se
reduce el impacto ambiental del proceso de producción:

En muchos casos, los ingenieros enfrentan la tarea de mejorar el desempeño de
empresas que llevan años de operación y que no presentan los estándares

4
Ingeniero Químico, E-mail: everingaruca@yahoo.es, Urbanización COVICA Mz. E, Lote 23, El Tambo, Huancayo, Teléfonos (064-
249896, 964-473374)

5
Ingeniero Químico

_________________________________________________________________________________________________________
20

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ambientales requeridos. El mejoramiento del desempeño ambiental de una empresa
se logra mediante la implementación de:
 Medidas de gestión
 Modificaciones tecnológicas.
 Reemplazar y/o reparar aquellas unidades críticas que afectan la eficiencia
operacional, la calidad del producto, la seguridad y el desempeño ambiental.
 Evitar pérdidas obvias de materiales y energía.
 Mejorar la capacidad para medir las principales variables de proceso e
implementar sistema de control donde sea necesario.
 Facilitar la gestión y tratamiento de los residuos mediante una segregación
racional que privilegie un mejor aprovechamiento de los recursos.

Para llevar a cabo tales medidas, es necesario identificar las principales debilidades y
fortalezas de la empresa en materia ambiental, seguridad y salud ocupacional,
incluyendo las oportunidades y amenazas que enfrenta.

1.1 Tributos a considerar en el diseño de procesos limpios

1.1.1 Acerca de las materias primas:
 Abundancia de materias primas en el sistema. Fuentes y tasas de renovación.
 Impactos ambientales durante la extracción, transporte y almacenamiento de
dichas materias primas.
 Niveles de toxicidad, reactividad, inflamabilidad, volatilidad y otras características
relevantes para la salud, la seguridad y el ambiente.
 Presencia de componentes potencialmente contaminantes que no son consumidos
durante el proceso de manufactura y que pueden generar residuos no deseados.
Características de dichos componentes.
 Potencial reciclable de los residuos.

1.1.2 Acerca de los recursos energéticos:
 Requerimientos energéticos del proceso, fuentes primarias de energía y su
impacto ambiental.
 Disponibilidad local de los recursos energéticos.
 Eficiencias de utilización energética.
 Impactos ambientales asociados con su generación y consumo, riesgos de
accidente, etc.
 Valor estratégico de los recursos energéticos requeridos

El aumento del interés popular para contrarrestar la polución ambiental hace que
debemos dar respuesta inmediata a los problemas que se tiene con la mala
construcción y mala operación del relleno sanitario que se encuentra ubicado en la
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localidad de Paccha de nuestra provincia. Debido a esto, en el presente trabajo nos
dedicaremos a estudiar la capacidad de producción de gas metano en el relleno
sanitario de Paccha y evaluaremos como se incrementará durante los próximos años,
y de esta manera contribuiremos con el manejo adecuado de este pasivo ambiental

2. Material y Métodos

2.1 Procedimiento de toma de muestra
 Se destapo el frasco de muestra evitando el contacto de las manos con el cuello o
boca del recipiente.
 El tubo de ensayo y/o frasco estuvieron sin la presencia de aire en su interior
 Se quito la tapa y retapa del papel del frasco como una sola unidad.
 Se mantuvo la tapa y el frasco fuera del contacto con suciedades y se lleno el
frasco con la muestra evitando la fuga del biogas.
 Se retiro el aire una vez tapado el tubo de ensayo o frasco con tapón y su
posterior aislamiento con Parafilm.
 Las muestras fueron recolectadas con jeringa apropiadas y de uso general para
estos tipos de muestra.
 Se guardo el frasco de inmediato en el contenedor de muestras con la
identificación correcta de la muestra.

2.2 Preparación de muestras

Para la realización del análisis de la muestra de metano se ha utilizado el equipo de
cromatografía de gases que se encuentra en la Facultad de Ingeniería Química, que
tiene las siguientes características:
Marca : Shimadzu
Modelo : Bomba serie 100, detector L.C.-25 (IR)
País : Alemania
Columna : Aminex HPX-87H (Intercambio catiónico Bio-Rad) U.S.A.

El sistema de inyección de las muestras de metano se ha realizado utilizando un Head
Space, que es una microjeringa graduada de una aguja hipodérmica con la que se
atraviesa el tapón que contiene la muestra y luego se inyecta a la corriente del gas
transportador que arrastra la muestra gaseosa a la columna.

3. Resultados y discusión

Mediante la siguiente relación propuesto por MARTÍN, Santiago (1997), se ha
determinado la capacidad de generación del metano en el relleno de Paccha.

L1 / CH 4 (%) / 100 
L2  L0
Vm
Donde:
L2 = Capacidad de generación de metano (g/Tn)
L = moles de O2 para degradar el metano (g)
 CH 4  = Porcentaje mol de metano (%)
L0 = Generación potencial de metano m 3 Tn
Vm 2
= Volumen molar a P y T estándar 2.241  10 m mol
3

Tabla 3.1. R.S.D. Domiciliarios depositados en el Relleno Sanitario de Paccha
Tiempo Cantidad R.S.D. en total
Fecha (días) (Tn/d) depositado (Tn/año)
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Jul. 2001 – Dic. 2001 182 días 200 36400
Ene. 2002 – Dic. 2002 365 días 200 73000
Ene. 2003 31 días 200 6200
Fuente: Municipalidad Provincial de Huancayo

3.1 Determinación experimental de la generación de metano
L1  m1
QCH 4 
 CH 4
Donde:
m1  Cantidad de R.S.D. depositados (Tn/año)
 CH 4  Densidad del metano g / m 3  
a) Cantidad de R.S.D acumulado hasta el año 2003
La cantidad acumulada de residuos sólidos domiciliarios en el relleno de Paccha es
de:
Tn
mi  73000
año
b) Densidad del metano
g cm 3 gCH
 CH 4  0.67849  6
 678490 3 4
cm 1  10 m
3 3
m CH 4
c) Generación de metano
4575849 g / Tn  115600Tn / año m 3 CH 4
QCH 4   779626
678490 g / m 3 año

Una vez realizado la determinación de la generación de metano, se ha procedido a
elaboración la tabla 3.2, que corresponde a como se ha ido generando el metano en
el relleno sanitario de Paccha después de su depósito de los residuos durante los
últimos dos años.

Tabla 3.2. Resultados experimentales de la generación de metano en el
relleno de Paccha
Cantidad Análisis de CH4 Generado
Nº depositada Laboratorio CH4 Generado acumulado
Muestra (Tn/año) (% mol) (m3/año) (m3/año)
9 36400 18.49 140867 140867
11 y 12 73000 10.61 492324 633191
11 y 12 115600 10.61 779626 779626

3.2 Resultados de la simulación
En el desarrollo de modelos de la degradación de los residuos sólidos en el vertedero,
para demostrar su potencial aplicabilidad, se realizan unas series de simulaciones de
algún caso teórico variando el valor de los parámetros hasta obtener resultados
“razonables”. Como resultado se obtienen valores paramétricos que pueden resultar
de utilidad no sólo en la aplicación de cada modelo sino en el desarrollo de otros con
expresiones similares. En el gráfico 3.1 se presenta los resultados de la predicción del
modelo y la validación experimental.

Gráfico 3.1. Validación del modelo matemático con datos experimentales

_________________________________________________________________________________________________________
23

_________________________________________________________________________________________________________
_
6 Generación de metano en un relleno sanitario
x 10
2

1.8

1.6 Comparación con el modelo matemático

1.4

Metano (m3 CH4/año)
1.2 --- Teorico (rojo)
*** Experimental (azul)
1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
tiempo (años)

4. Conclusiones

 El modelo matemático ha sido calibrado primeramente programando en la hoja
electrónica del Excel, y posteriormente se ha realizado la simulación del modelo
matemático en el software Matlab considerando que la cantidad de residuos
sólidos que ingresan a un relleno sanitario es de 200 toneladas por día durante un
período de 10 años.
 El modelo matemático predice bien la generación de metano en un relleno
sanitario no controlado, como es el caso del relleno de Paccha que actualmente
está emitiendo la cantidad de 779 626 m3 CH4/año.
 La generación de metano en un relleno sanitario aumentará de 1,8x10 6 m3
CH4/año a 2,2x106 m3 CH4/año cuando el parámetro de velocidad de generación
de metano (k) aumenta de 0,05 a 0,07 (año-1).

5. Agradecimientos

Agradecemos a la Capitán de la Policía Nacional del Perú Ingeniero Químico Lily
Miranda Huancahuari por su apoyo en los análisis de las muestras y al Laboratorio de
Análisis por Instrumentación de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad
Nacional del Centro del Perú.

6. Referencias Bibliográficas

 BARLAZ, M. A.; ELEAZER, W. E.; ODLE, W. S.; QIAN, X. y WANG, Y. S. (1997).
“Biodegradative Analysis of Municipal Solid Waste in Laboratory-Scale Landfills”.
EPA/600/SR-97/071, Environmental Protection Agency, Estados Unidos.
 CAMPBELL, J. V. (1983). “Understanding water balance in landfill sites”. Wastes
management, Noviembre 1983, pp. 594 – 605.
 FINDIKAKIS, A. N. y LECKIE, J. O. (1979). “Numerical simulation of gas flow in
Sanitary Landfills”. Journal of the environmental engineering division, 105, pp. 927-
945.
 LAWRENCE A.W. Y MCCARTY P.L., “Kinetics of metane fermentation in
anaerobic treatment”, JWPCF, 41:R1-R17, 1969.
 LOBO, A.; HERRERO, J.; MONTERO, O.; FANTELLI, M. y TEJERO, I. (2002b).
“Modeling for Environmental Assessment of Municipal Solid Waste Landfills (Part
2: Biodegradation)”. Waste Management and Research, 20(6), pp. 514 – 528.

_________________________________________________________________________________________________________
24

_________________________________________________________________________________________________________
_

 POHLAND, F. G. (1980). “Leachate recycle as landfill management option”.
Journal of the Environmental Engineering Division, 106(EE6), pp 1057 – 1069.
 ZAROR ZAROR C. “Conceptos Fundamentales de Tratamiento de Residuos
Industriales”, Segunda Edición. Ediciones Universitarias de la Universidad de
Concepción, Departamento de Ingeniería Química, Setiembre, 1993.
 Land GEM (Landfill Gas Emissions Model) Version 3.02, Environmental Protection
Agency, Clear Air Technology Center, Mayo 2005, U.S.A.

_________________________________________________________________________________________________________
25

_________________________________________________________________________________________________________
_

INVESTIGACIÓN, DESARROLLO Y TRANSFERENCIA DE TECNOLOGÍAS DE
HUMEDALES ARTIFICIALES EN LA SINERGIA UNIVERSIDAD – GOBIERNO
LOCAL – POBLACIÓN: LACABAMBA

Daniel Lovera Dávila, Lawrence Quipuzco Ushñahua, Gaudencio Laureano Valentín,
Dora Valencia Pereda, Carolina Becerra Martínez, Daniel Núñez Ato,
Helga Valdivia Fernández, Janet Montoso Asencios.

RESUMEN

El Instituto de Investigación IIGEO - FIGMMG de la Universidad Nacional Mayor de
San Marcos cumpliendo con su visión, misión y responsabilidad social, viene
correlacionando esfuerzos institucionales con gobiernos locales a través de convenios
marcos y específicos como el caso de la Municipalidad de Lacabamba. Mostramos a
través de este artículo como la investigación participativa de un equipo
multidisciplinario y de la población local permitió realizar el planeamiento estratégico
concertado, identificación de la cartera de proyectos, consulta ciudadana,
presupuestos participativos, perfiles de proyectos, fortalecimiento de capacidades de
los actores locales, entre otros productos entregables ejecutándose el proyecto
“Adaptación de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales en la
Comunidad Urbana de Lacabamba, Región Ancash, Perú; Usando Tecnologías
de Humedales Artificiales” con el apoyo de SEMA - IDRC. Este proyecto permitió
investigar, desarrollar y transferir tecnologías para el tratamiento de aguas
domésticas, la instalación de un biohuerto comunal regado con aguas purificadas y
la capacitación preactiva de comuneros, docentes, alumnos y mujeres, quienes se
motivaron replicando en sus huertos familiares que a la fecha hay buenos resultados.

Palabras Clave: Transferencia de Conocimientos, Tecnologías, Planeamiento
Concertado, Capacitación por Género, CTS+i

1. INTRODUCCIÓN

El Modelo Hexaédrico del Desarrollo Sostenible para el Perú diseñada por
investigadores del IIGEO – UNMSM establece que el desarrollo sostenible se sustenta
en 06 dimensiones del desarrollo, las cuales integra los conocidos procesos
económicos, sociales y ambientales, con la variable político institucional y
considerando escenarios probables de riesgo físico ambiental, además del fomento de
la solidaridad de la sociedad y el cultivo de los valores y la ética. Además considera
10 campos transversales que forman la matriz del desarrollo:
Campos Transversales

Dimensión 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Social ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Económica ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Ambiental ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Institucionalidad ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Riesgos y CC ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Ética, Valores y ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Principios

1.-ESPACIO TERRITORIAL
2.-GENERO E IDENTIDAD
3.-CIENCIA, TECNOLOGIA e INNOVACION
4.-MULTIDISCIPLINARIDADY TRANSECTORIALIDAD
5.-SALUD, CANTIDAD Y CALIDAD DE VIDA
6.-EDUCACION Y CULTURA
7.-GESTION Y LIDERAZGO
_________________________________________________________________________________________________________
26

_________________________________________________________________________________________________________
_

8.-SOSTENIBILIDAD EN EL TIEMPO
9.-PARTICIPACION CIUDADANA
10.-PROSPECTIVA Y VISION DE FUTURO

Este modelo hexaédrico fue aplicado en el Distrito de Lacabamba para el Diagnostico
y Plan Estratégico Participativo de Lacabamba, lo cual permitió identificar una serie de
proyectos para el desarrollo distrital, del cual uno de ellos fue el tratamiento de sus
aguas domésticas y su reuso para fines agrícolas como es la experiencia en Israel,
España y otros países en donde la Tecnología de humedales artificiales complementa
las otras tecnologías convencionales de tratamiento de aguas existentes.

Con la firma del Convenio de donación por parte de los representantes del
Secretariado de Manejo del Medio Ambiente para América Latina y Caribe, SEMA /
EMS en nombre del International Development Research Centre, IDRC; y las
autoridades de la Comunidad Distrital de Lacabamba en el año 2005; la Municipalidad
de Lacabamba conjuntamente con el equipo técnico del Instituto de Investigación de
la Facultad de Ingeniería Geológica, Minera Metalúrgica y Geográfica de la
Universidad Nacional Mayor de San Marcos, IIGEO-UNMSM dieron comienzo a las
actividades técnicas para el desarrollo del proyecto.

Figura 1 : Humedal Artificial en España

2. MATERIALES Y METODOS

La Tecnología de humedales artificiales está definida como un complejo ecosistema
de substratos saturados, plantas (macrófitas) y agua, cuyo objetivo es la remoción de
la mayor cantidad de contaminantes del agua residual a través de mecanismos de
depuración que actúan en los humedales.

Para el desarrollo del proyecto se consideraron 5 etapas:

Etapa 1. Trabajos previos al diseño sistema de tratamiento: Información básica
(identificación y ubicación física del terreno, evaluación del sitio, condiciones
climáticas, disponibilidad de materiales del lugar); Características del afluente
(Disponibilidad de agua, proyección de la oferta de aguas residuales y demanda de
agua para el reuso, caudales, calidad de agua, caracterización del agua residual
cruda, análisis de parámetros básicos).

Etapa 2. Diseño del sistema (Dimensionamiento del sistema de tratamiento
propuesto, detalle esquemático de la planta de tratamiento: red de recolección y
conducción, pretratamiento, sistema de humedales, materiales necesarios).
_________________________________________________________________________________________________________
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