Este documento describe tres métodos para reducir la contaminación de fluoruro en el agua potable: 1) Adsorción utilizando una capa adsorbente compuesta de tres metales y látex aplicada a partículas de arena, 2) Adsorción a través de intercambio iónico usando un híbrido inorgánico-orgánico de zirconio y propanolamina, y 3) Adsorción mediante el uso de biomasa. El método de capa adsorbente mostró una mayor adhesión y estabilidad con una razón

1. Contaminación de Fluoruro
en Agua Potable:
Tecnologías para reducirlo
eficientemente
Rubén O. Díaz Vázquez, Universidad
Metropolitana
Introducción
En el agua se pueden encontrar un
numero de contaminantes que son tóxicos
para el ser humano, entre ellos podemos
encontrar el cloruro, plomo, fluoruro y el
mas toxico, el arsénico. El flúor es el primer
elemento que se puede encontrar en la
familia de los halógenos y es el elemento
más reactivo. El flúor no se encuentra en la
naturaleza pero se puede encontrar el
fluoruro en el suelo, el aire y principalmente
en el agua. El fluoruro es añadido al agua
como parte del tratamiento. El fluoruro en
agua potable es beneficioso en bajas
concentraciones, cuando se presenta en altas
concentraciones es donde comienzan los
riesgos de salud. Entre los riegos que se
puede encontrar por cantidades excesivas de
fluoruro se encuentran: reumatismo,
paralización permanente, daño al sistema
renal, fluorosis esqueletal y dental.[1] La
contaminación de fluoruro en agua potable
ha ido aumentando debido al mal uso y
manejo del agua a nivel mundial. Países
como India y Ghana donde la economía se
encuentra en crisis y la pobreza es
sumamente alta son los que han mostrado un
número alto de contaminación de agua.
Donde un número de habitantes sufren de
fluorosis por las altas concentraciones del
fluoruro en sus sistemas de agua potable. La
Organización Mundial de Salud (WHO) ha
determinado que el límite para el fluoruro en
agua sea 1.5 mg/L y la Agencia de
Protección Ambiental (EPA) tiene un rango
de guía a 0.8 a 1.3 mg/L, mientras que en
India tiene un límite de 1.0 mg/L.[2-6] En
estos países donde la contaminación es alta
por el momento no se ha desarrollado un
método para remover el exceso de fluoruro
en el agua. Los límites establecidos por las
organizaciones y agencias estarán
determinados por la cantidad de fluoruro en
agua potable que se reporte en cada país.
Sin embargo, existen diversos
métodos en los cuales se han estudiado
eficientemente por años. Una de las razones
al cual se cree que no se ha desarrollado un
método es por lo costoso que puede ser,
muchos países están buscando la forma de
encontrar un método que sea eficiente y
económico para ayudar a bajar los niveles de
concentración. Se han llevado a cabo
estudios con los métodos más comunes para
el tratamiento de fluoruro en agua potable.
Han estudiado la eficiencia que puede tener
la osmosis reversa, la destilación, el uso de
carbón activado y un filtro de agua. Siendo
el proceso de osmosis reversa como el
tratamiento que mayor reducción obtuvo en
los niveles de fluoruro, seguido por la
destilación y carbón activado. [6] Aun así se
han ido desarrollando otras tecnologías entre
ellas se encuentran: técnicas de adsorción,
electrocoagulación, adsorción vía
intercambio de iones, utilización de biomasa
y estudios cinéticos con adsorbentes
naturales como el suelo. El estudio con
adsorbentes naturales se ha llevado a cabo
debido a la disponibilidad que hay de los
suelos y porque es económico. El enfoque
de este informe se basará en tres diferentes
métodos de adsorción: adsorción de una
capa adsorbente, adsorción vía un material
intercambiadora de iones y adsorción
utilizando la biomasa de una flor.
Adsorción[2]
La adsorción es un proceso donde
iones, moléculas y átomos se atrapan en la
superficie de algún material al cual ellos

2. tengan una afinidad alta hacia el material. Es
el proceso más aceptado para remover
contaminación debido a que es fácil de
manejar y es costo efectivo. En estudio
realizado en el 2008, en India [2] , utilizaron
una capa de adsorbente con un polímero de
látex en partículas de arena para remover
fluoruro en agua potable. Una característica
muy particular del fluoruro es que tiene una
alta afinidad hacia metales como el hierro,
cerio, aluminio y zirconio. Con esta
característica en mano, investigadores
crearon una capa adsorbente que se
compone de tres metales (aluminio, cerio y
hierro) con hidróxido con un polímero
acrílico-estireno. Enfoque será en el efecto
de la razón de Fe-Al-Ce/látex, el efecto que
tiene el grosor de la capa adsorbente y la
capacidad que tiene la capa adsorbente para
llevar a cabo adsorción.
Fig. 1 Imágenes de SEM de la partícula de arena con
diferentes razones de Fe-Al-Ce/látex: (a) 0, (b) 0.2,
(c) 0.8 y (d) 3.2 [2]
Para determinar la razón de Fe-Al-Ce/látex
se tomó imágenes utilizando “Scanning
Electron Microscope” (SEM) con
diferentes razones para ver la diferencia y
así determinar la razón adecuada para que la
capa se adhiera a la superficie de la partícula
de arena. La Figura 1. muestra cuatro
imágenes de la partícula de arena con
diferentes razones de Fe-Al-Ce/látex
tomadas con SEM. Donde la imagen (a)
tiene 0 de razón del tri-metal y se puede
apreciar la abundancia de las grietas
presentes en la partícula. Cuando la razón es
0.2 tiene un muy poco efecto en la partícula
de arena, es similar a cuando tiene una razón
de 0, la partícula sigue teniendo grietas en su
superficie. La imagen (c) muestra cuando la
razón del tri-metal con el látex se encuentra
a 0.8, vemos como las grietas ya se han
desaparecido y comienza la formación de
pequeños poros, ya cuando la razón alcanza
a (d) 3.2 se ve como los poros que se habían
formado, se convierten en una capa fina.
Fig. 2 Porciento de adhesión en la particula de arena
según aumenta la dosis de Fe-Al-Ce/látex.[2]
La Figura 2 muestra el cambio en la
adhesión de la capa con el aumento de razón
de Fe-Al-Ce/látex. Cuando aumenta de 0.2 a
0.4 se nota un aumento significante de 48%
a 85%. Cuando la razón llega a 1.2, la
adhesión alcanza 100%. Si se sigue
aumentando la cantidad de tri-metal con el
látex habrá una saturación y es por eso que
la adhesión se mantiene constante luego de
1.2. Esto se debe a la desaparición de las
grietas. El látex juega un papel importante
en aumentar la adhesión de las partículas de
tri-metal con las partículas de arena. Luego
de analizar la adhesión de la capa del

3. adsorbente, se analizó el efecto que tiene el
grosor de la capa.
Fig 3. Estabilidad de la partícula de arena según
aumenta el porciento del tri-metal sobre ella.[2]
La Figura 3 muestra la estabilidad de la
partícula de arena con diferentes cantidades
del tri-metal. La gráfica indica que hay un
aumento en la estabilidad hasta que llega a
un máximo, el cual se encuentra alrededor
de un 7 a 8%. Luego de ahí comienza a
disminuir la estabilidad según se aumenta la
cantidad del tri-metal sobre la partícula de
arena. Esto se debe a que a cantidades bajas,
la estabilidad no aumenta porque se
encuentran una formación de agrupaciones
del tri-metal/látex en la partícula de arena.
Según se vaya aumentando esa cantidad,
esas agrupaciones se van uniendo para
formar una capa continua, ahí el aumento de
estabilidad es notable. La disminución que
ocurre luego del punto máximo se debe a
que mientras se siga aumentando el
porciento de la capa adsorbente sobre la
partícula arena el grosor de la capa aumenta
y se acumula un estrés provocando que el
agua que quede en la capa se evapore y
produzca grietas. Una vez se conoce el
efecto del grosor, se analiza la capacidad de
adsorción que tiene el material en la
partícula de la arena.
La Figura 4 muestra la capacidad de
adsorción de fluoruro a diferentes razones de
tri-metal/látex. En la gráfica podemos ver
como en las razones iniciales hay un
aumento en la adsorción y luego disminuye
Fig 4. Capacidad de adsorción de fluoruro según el
aumento de tri-metal/látex. [2]
según aumenta la razón del material
adsorbente. La gráfica muestra un máximo
en una razón de 0.8, luego de ese punto
comienza a disminuir la adsorción. Esto
sucede debido a la introducción del látex, el
cual disminuye la capacidad de adsorción
porque disminuye el número de sitios
activos de adsorción.
Adsorción: Intercambio Iónico[3]
La adsorción vía intercambio iónico es un
proceso rápido y reversible donde iones
impuros presente en el agua son
reemplazados por iones liberado de una
resina intercambiadora de iones. En un
estudio realizado recientemente, se
desarrolló un nuevo hibrido inorgánico-
orgánico intercambiador de iones de
Zirconio (IV)-Propanolamina. El material
fue preparado utilizando la técnica de sol-
gel. El enfoque en esta parte está basado en
el efecto en la variación de pH, variación de
temperatura, efecto de iones coexistentes y
la regeneración del adsorbente.
La Figura 5 muestra el mecanismo para la
síntesis del material de Zirconio-
Propanolamina. Donde tenemos la molécula
inorgánica de oxido de zirconio y tenemos la
molécula orgánica, donde ocurre una

4. transferencia de un hidrogeno hacia la
propanolamina para formarme una amina
protonada.
Fig. 5 Mecanismo propuesto para la formación del
material adsorbente.[3]
La reacción de este material lleva a la
formación de un gel amorfo, el cual es
utilizado como un intercambiador de
aniones, específicamente para la adsorción
de fluoruro en agua potable.
Fig. 6 Efecto de la variación de pH en la eliminación
de fluoruro.[3]
El pH es un parámetro importante para
determinar el potencial de adsorción en un
material adsorbente. La Figura 6 muestra la
adsorción de fluoruro según aumenta el pH
del material. En pH ácidos notamos un
aumento en la eliminación de fluoruro
significante, cuando se llega a un pH de 7
notamos un máximo, luego de ese pH la
eliminación de fluoruro comienza a
disminuir en pH básicos. Esto se debe que a
una solución base, la competencia de iones
de hidroxilo con iones de fluoruro existe, así
que con aumento de pH, la concentración de
hidroxilo aumentará. Se estudió el efecto de
temperatura del proceso de adsorción con
una variación de 10 a 50℃ y los parámetros
de termodinámica. El porcentaje de
adsorción de fluoruro aumenta según
aumenta la temperatura.
Fig 7. Tabla con los parámetros de termodinámica a
diferentes temperaturas.[3]
La Figura 7 presenta una tabla donde se
encuentran diferentes parámetros de
termodinámica a diferentes temperaturas.
Donde ∆𝐺 (energía libre de Gibbs) es
calculada con la siguiente ecuación:
∆𝐺 = −𝑅𝑇 ln 𝐾 𝐷
Donde los valores negativos de ∆𝐺 en la
tabla indican que el proceso es espontáneo.
El valor de cambio en entalpía (∆𝐻) y el
valor de cambio en entropía (∆𝑆) del
proceso con la siguiente ecuación:
ln 𝐾 𝐷 =
∆𝑆
𝑅
−
∆𝐻
𝑅𝑇
Para determinar el valor de ∆𝐻 y ∆𝑆
construyeron una gráfica partiendo de la
ecuación mencionada anteriormente y con
los valores del intercepto y pendiente
obtienen los valores (Fig. 8). El valor
positivo de ∆𝐻 indica un proceso
endotérmico y el valor de ∆𝑆 indica un

5. estado ordenado en vez de una distribución
caótica.
Fig. 8 Gráfica ln KD vs 1/T [3]
Una vez de tener los parámetros de
termodinámica, se estudia el efecto de iones
co-existentes en el agua.
Fig. 9 Efecto de iones co-existentes (muestra de agua
sintética) [3]
En el agua existen otros iones aparte del
fluoruro entre ellos: sulfato, cloruro, nitrato,
bicarbonato y fosfato; los cuales compiten
con fluoruro para un sitio activo de
adsorción. La Figura 9 muestra como
diferentes iones afectan en la eliminación de
fluoruro, podemos notar que iones como
cloruro, nitrato y sulfato no tienen mucho
efecto en la eliminación de fluoruro; son los
iones como bicarbonato y fosfato que tienen
un efecto significativo en la eliminación de
fluoruro debido a que estos iones tiene una
afinidad similar al material adsorbente como
lo tiene fluoruro.
La regeneración y reutilizable de material
adsorbente es importante porque afecta
factores de costo y su utilidad. Solo
materiales adsorbentes que se pueden reusar
tienen valor práctico.
Fig. 10 Regeneración del material adsorbente en un
número de ciclos. [3]
La Figura 10 muestra como se afecta la
eliminación de fluoruro según se utilice más
de una vez el material adsorbente. Podemos
notar que en 10 ciclos la disminución en el
porcentaje en la eliminación de fluoruro es
de aproximadamente un 20%. Esto nos dice
que el material de Zirconio-Propanolamina
es un buen material para futura
comercialización para tratar la
contaminación de fluoruro en agua potable.
Adsorción: Utilización de biomasa[1]
La utilización de biomasa es un método
económico, que ha creado mucho interés
entre científicos,ingenieros e investigadores.
La ventaja de esta tecnología es que no
requiere de una inversión grande. Pero ha
sido limitada debido a que han tenido
problemas en descartar los desechos que
produce el proceso. En el estudio realizado
en el 2003, utilizaron la biomasa de la flor
Jacinto de Agua y el carbón activado
derivado de la misma, el cual fue activado
térmicamente a 300 y 600℃. Se estudió el

6. efecto de la dosis del adsorbente, efecto de
temperatura y estudios cinéticos.
Fig. 11 Efecto de la dosis del adsorbente (biomasa no
carbonizada)[1]
En la Figura 11 se puede notar un aumento
de porciento de eliminación de fluoruro
cuando la dosis del adsorbente (biomasa no
carbonizada) se aumenta de 10 a 50 g/L.
Luego de esa cantidad, mientras se sigue
añadiendo dosis de la biomasa notamos que
el porciento de eliminación no es
significativo. Así deciden para la biomasa de
la flor no carbonizada la dosis adecuada es a
50 g/L. Ese mismo estudio del efecto de la
dosis del adsorbente se realizó con el carbón
derivado de la planta activado térmicamente
a 300 y 600℃.
Fig.12 Efecto de la dosis del adsorbente (carbón
activado derivado de la planta a 300℃.[1]
Fig.13 Efecto de la dosis del adsorbente (carbón
activado derivado de la planta a 600℃.[1]
En las Figuras 12 y 13 muestra como la
adsorción de fluoruro aumenta mientras más
tiempo de contacto y más dosis del
adsorbente se siga añadiendo. El aumento
significativo en el porciento de eliminación
de fluoruro se ve cuando se aumenta la dosis
de 10 a 40 g/L, luego de esa cantidad no se
aprecio una eliminación significativo. Al
comparar las Figuras 12 y 13 con la Figura
11 podemos ver que el carbón activado
derivado de la planta elimina más fluoruro
que la forma no carbonizada. Y entre la
Figura 12 y 13, el carbón activado a 600℃
tiene más porciento de eliminación que el
carbón activado a 300℃.
Una vez estudiado el efecto de la dosis para
cada una de las formas en que se elaboró la
biomasa, se procede a estudiar el efecto de
la temperatura para el carbón activado
derivado de la planta ya que estos son los
que obtienen una mayor eliminación de
fluoruro que la forma no carbonizada.

7. Fig. 14 Efecto de la temperatura en la adsorción de
fluoruro.[1]
Los estudios de adsorción se hicieron a
diferentes temperaturas: 25, 35, 45℃. La
Figura 14 muestra una tabla donde presenta
las desviaciones estándar del porcentaje de
fluoruro (valores en paréntesis) a diferentes
temperaturas. Se compara el carbón activado
derivado de la planta a 300℃ y 600℃ para
apreciar mejor la diferencia de los dos en
diferentes temperaturas. A diferentes
concentraciones iniciales se ve un aumento
en porcentaje de eliminación de fluoruro,
aumenta aun más cuando se sube la
temperatura. Así que a mayor concentración
y mayor temperatura, mayor será el
porcentaje de eliminación. Cuando se
compara entre el carbón activado a 300℃ y
600℃, se nota que el carbón activado
derivado de la planta a 600℃ tiene mejor
adsorción que la de 300℃ (72-98%
comparado a 300℃ que tenia de 51-93%
según aumenta la temperatura).
Esto se debe a las características del carbón
activado a 300℃ y 600℃. Según Mattson y
Mark, el carbón activado se clasifica en dos
grupos: carbón activado a temperaturas
bajas (200-400℃), los cuales desarrollan
sitios superficiales acídicos y bajan el pH de
soluciones básicas. Estos carbones adsorben
bases de la solución. El carbón activado a
temperaturas altas (600-1000℃) desarrolla
sitios superficiales básicos y aumenta el pH
de soluciones ácidas; también adsorben
ácidos.
Por último, se estudia la cinetica del carbón
activado derivado de la planta para poder el
determinar el comportamiento del proceso
de adsorción.
Fig. 15 Cinética de fluoruro adsorbido por el carbón
activado a (a)300℃. y (b)600℃. a diferentes
temperaturas.[1]

8. En la Figura 15 se puede ver la cinética de
adsorción de fluoruro. La grafica muestra
que según se aumenta la temperatura la
adsorción también aumenta, esto indica un
proceso endotérmico por naturaleza.
Podemos ver que la imagen (a) a la igual
que la imagen (b) hay una eliminación de
fluoruro inmediata en las primeras 2-3
horas, eso lo sigue una eliminación que va
aumentando poco a poco según pasa el
tiempo. Ya a las 4-6 horas se ha alcanzado
una saturación del solvente adsorbido.
Cuando se compara entre 300℃ y 600℃, de
nuevo el carbón activado derivado de la
planta a 600℃ va a tener una mejor
adsorción de fluoruro tanto para el aumento
de temperatura como habíamos mencionado
anteriormente al igual que cuando pasa el
tiempo de contacto.
Conclusiones
Se concluye para el método de adsorción
que según se aumenta la razón de Fe-Al-
Ce/látex, la capacidad de adherirse a la
partícula de arena será mejor. El látex juega
un papel de suma importancia en este efecto
de adhesión debido a que ayuda a que se
obtenga una superficie de área lisa y libre de
grietas. Se establece que la mejor razón es
0.8 entre 0.2 y 3.2. Un 7 a 8% del tri-metal
con la arena tiene el grosor adecuado para
llevar a cabo una adsorción eficiente.
Para la adsorción vía intercambio iónico,
para el material hibrido (ZrPa), se obtiene
mayor eliminación de fluoruro a pH ácido
(pH<7). A mayor temperatura, mayor será la
adsorción de fluoruro. Es un proceso
espontáneo, endotérmico y un estado
ordenado. El efecto de iones coexistentes
afecta cuando se encuentra el fluoruro
compitiendo con iones como bicarbonato y
fosfato ya que estos iones también tienen
una afinidad alta hacia el material
adsorbente. El material de zirconio-
propanolamina muestra ser un material el
cual se puede reusar ya que es efectivo en un
número grande de procesos cíclicos,
convirtiéndolo en un material para futura
comercialización.
Para la utilización de biomasa se concluye,
que en el estudio de utilización de biomasa
el carbón activado derivado de la planta a
600 oC tiene una mejor adsorción que el
carbón activado a 300 oC. La temperatura
ayuda a aumentar el porcentaje de
eliminación de fluoruro en agua. La cinética
de adsorción muestra un proceso
endotérmico, ya que aumenta la adsorción
según aumenta la temperatura en diferentes
intervalos de tiempo.
La contaminación de fluoruro en agua
potable es un problema serio, en el cual hay
que ir creando consciencia. Hoy puede ser
India o algún otro país del oriente, mañana
nos puede tocar a nosotros, hay que ir
creando métodos económicos para ayudar a
mejor la calidad del agua que bebemos
diariamente.
Apreciación Personal
Este seminario ha sido un reto para mí, he
tenido que aplicar mis destrezas de
investigación para llevar a cabo este trabajo.
A la misma vez al ver lo que he completado
en un semestre, me enorgullece que he
hecho un trabajo excelente a nivel científico.
Puedo decir que me siento preparado para
un mundo que me espera por delante ya que
no enfrento ningún miedo. Todo reto que se
me ponga en el camino los venceré y me
llevaran a ser un excelente profesional. Este
trabajo ha significado mucho para mí debido
a que es un tema que me ha interesado
mucho en los últimos años, un problema que
hay que empezar a desarrollar conciencia
para salir hacia adelante en este mundo.
Espero que sea de provecho para muchos al
igual que lo fue para mí.

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