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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVII (3) e 1261 (2023)
https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia
ISSN-e: 2683-3360
Artículo Científico
Remoción de arsénico en agua con zeolitas naturales
provenientes del norte y centro de México
Arsenic removal in water with natural zeolites from northern and
central Mexico
*Correspondencia: mvillalb@uach.mx (María de Lourdes Villaba)
DOI: https://doi.org/10.54167/tch.v17i3.1261
Recibido:: 19 de junio de 2023; Aceptado: 05 de septiembre de 2023
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado
Editora de Sección: Dra. Alicia Melgoza Castillo
Resumen
Adsorción e intercambio iónico son consideradas como las técnicas efectivas y factibles para remover
metales pesados del agua. Investigaciones recientes han reportado el uso de zeolitas para remover
arsénico del agua. En México se han identificado grandes yacimientos de este mineral, tanto en el
norte, centro y sur del país, con diferencias importantes debido al ambiente geológico e influencia
ambiental donde se encuentran. El objetivo fue conocer la remoción de arsénico en agua que
presentan las zeolitas naturales provenientes del norte y centro de México. Se seleccionaron dos
yacimientos uno en el estado de Chihuahua (MACh) y otro en el estado de Guanajuato (MSF). Se
caracterizaron geológica, física y químicamente mediante diferentes técnicas: petrografía (láminas
delgadas), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB). Se realizaron
isotermas de adsorción, cinética de adsorción, finalmente se midió la capacidad de adsorción
mediante columnas empacadas. Los minerales presentaron diferente composición (tipo y proporción
de zeolitas), así como la relación Si/Al. Las pruebas de isotermas de adsorción, cinética de adsorción
y columnas empacadas demostraron la capacidad de remoción de cada material, siendo la zeolita
proveniente del centro de México que ofrece mayor retención por intercambio iónico.
Palabras clave: contaminación, adsorción, intercambio iónico.
Luis Humberto Colmenero-Sujo1, María de Lourdes Villalba2*
1 Instituto Tecnológico de México. Instituto Tecnológico de Chihuahua II. Av. de las Industrias 11101,
Complejo Industrial Chihuahua, 31130 Chihuahua, Chih.
2 Universidad Autónoma de Chihuahua, Facultad de Ingeniería. Circuito Número I s/n, Nuevo Campus
Universitario, Nte. 2, 31125 Chihuahua
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Abstract
Adsorption and ion exchange are considered to be the most effective and feasible techniques for
removing heavy metals from water. Recent research has reported the use of zeolites to remove
arsenic from water. In Mexico, large deposits of this mineral have been identified in the north, center
and south of the country, with important differences due to the geological setting and environmental
influence where they are found. The objective was to know the arsenic removal in water of natural
zeolites from northern and central Mexico. Two deposits were selected, one in the state of Chihuahua
(MACh) and the other in the state of Guanajuato (MSF). They were characterized geologically,
physically and chemically by different techniques: petrography (thin films), X-ray diffraction (XRD)
and scanning microscopy (SEM). Adsorption isotherms, adsorption kinetics and finally the
adsorption capacity was measured using packed columns. The minerals presented different
composition (type and proportion of zeolites), as well as the Si/Al ratio. The adsorption isotherm
tests, adsorption kinetics and packed columns demonstrated the removal capacity of each material,
with the zeolite from central Mexico offering the highest retention by ion exchange.
Keywords: pollution, adsorption, ion exchange
1. Introducción
Adsorción e intercambio iónico han sido consideradas como técnicas efectivas y factibles para la
eliminación de metales pesados. La adsorción permite la concentración de una o más especies en la
superficie de otra, ya sea en fase sólida o líquida (Prato et al. 2021), tal es el caso del paso del agua a
través del contacto con un lecho en los cuales los metales pesados son removidos por una serie de
reacciones superficiales (Kyoziol-Komosinska et al. 2015). En tanto que la remoción por intercambio
iónico se lleva a cabo mediante materiales insolubles y de textura porosos que contienen grupos
reactivos asociados a iones lábiles capaces de intercambiarse con el medio que los rodea, se basa en
los equilibrios de reparto de los iones de las mezclas entre el material adsorbente y la disolución
(Pabón et al. 2020; Bilbao-Chávez et al. 2019). Las zeolitas son minerales cristalinos de
aluminosilicatos que presentan éstas y otras características que las hacen un material prometedor
para la remoción de iones de metales pesados en agua. Es un sólido, inorgánico y poroso, con una
estructura tetraédrica, su centro está ocupado por un átomo de silicio (Si) o aluminio (Al) con cuatro
átomos de oxígenos en los vértices, provocando una carga negativa en la estructura, esta carga es
compensada por cationes metálicos. En sus canales y cavidades se encuentran moléculas de agua y
cationes (Na+, K+, Ca+2, Mg+2) que permite el intercambio de iones y procesos de deshidratación (De
la Vega et al. 2018). Su área superficial y volúmenes de poro le proporcionan una elevada capacidad
de adsorción (Moliner et al. 2015). Parámetros como la temperatura ambiental, valencia iónica,
concentración de electrólitos, tamaño y forma de iones influye en el intercambio catiónico y afinidad
de las zeolitas naturales con ciertos metales pesados (Velarde et al. 2023).
Investigaciones recientes han reportado el uso de zeolitas naturales para la remoción de arsénico en
agua (González-Chávez et al. 2023). La existencia de este material depende del ambiente geológico,
las elevadas temperaturas causadas por el gradiente geotérmico (magmáticas o primarias),
metamorfismo, hidrotermal de contacto y por diagénesis, superficies influenciadas por gradientes
químicos (filtración de agua, meteorización y depósitos salinos de lago y alcalinos), bajas
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temperaturas en ambientes marinos y las que se forman en cráteres de impacto
(https://geologiaweb.com/minerales/zeolitas/2020).
En México se han identificado yacimientos de zeolitas formados en depósitos con afinidad
sedimentaria y otros con carácter ígneo en 17 estados distribuidos en el norte, centro y sur del país
(Paredes et al. 2013; Chávez-Aguirre et al. 2019). En el norte, el estado de Chihuahua cuenta con zonas
volcánicas donde existen volúmenes grandes de zeolitas del tipo clinoptilolita, illitamonmorillonita,
cristobalita y heulandita (Novo y Castrafreda, 2018). En el Municipio de Aldama existe yacimientos
de minerales no metálicos que tiene amplias perspectivas de ser considerados como una de las
principales fuentes de desarrollo minero, donde se ubica una gran cantidad de material zeolítico de
mediana y alta calidad (SMG, 2006). En el centro, el estado de Guanajuato también es reconocido por
su riqueza mineral tanto metálico como no metálico, y donde se ha encontrado diversas especies de
zeolitas (CRM, 2004). En el municipio de San Felipe, Guanajuato, existe un reconocido yacimiento
con formaciones zeolitizadas producto de rocas ácidas que originalmente esas tobas riolíticas
sufrieron alteración hidrotermal (http://sde.guanajuato.gob.mx, 2009).
Existen diversas técnicas para remover arsénico del agua como la coagulación, osmosis inversa,
precipitación, adsorción e intercambio iónico. Sin embargo, la mayoría de ellas presentan desventajas
como producción de lodos y altos costos (Pabón et al. 2020). Las zeolitas naturales por su parte han
resultado ser una alternativa, viable y económica por su capacidad de adsorción e intercambio
iónico, abundancia y bajo costo de extracción.
El objetivo fue conocer la eficiencia de la remoción de arsénico en agua que presentan las zeolitas
naturales del norte y centro de México mediante la evaluación de isotermas de adsorción, cinética
de adsorción y medición de la capacidad de adsorción por columnas empacadas, así como también
conocer sus caracteristicas geológicas, física y química por diferentes técnicas: petrografía (láminas
delgadas), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB).
2. Materiales y métodos
2.1. Yacimientos zeolíticos norte y centro de México
El muestreo de zeolita natural se llevó a cabo en los Municipios de Aldama, Chihuahua
(MACh) en el yacimiento ubicado en el Rancho La Otra Banda UTM 412135 m E 3187269 m N y en
San Felipe, Guanajuato (MSF) en el yacimiento ubicado UTM 282097 m E, 2399946 m N (Fig 1).
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Figura 1. Ubicación de los yacimientos de zeolitas en los estados de Chihuahua y Guanajuato
Figure 1. Location of the zeolite deposits in the states of Chihuahua and Guanajuato.
2.2. Métodos
El tamaño de ambos materiales se redujo hasta un tamaño de grano de 1.7 a 0.6 mm (mallas
#12 y # 30). Se saturó con agua destilada por un periodo de 24 horas para eliminar el polvo y la
materia orgánica. Se retiró el exceso de agua y se secó en el horno por 72 horas a 100°C. Cada muestra
se analizó su composición geológica mediante estudio petrográfico por la técnica de láminas
delgadas utilizando un microscopio óptico de luz polarizada, estructura, distribución de poro,
volumen y tamaños mediante un equipo de Difracción de Rayos X (DRX), marca Panalytical Modelo
X´ Pert PRO, Siemens D5000, operando a una radiación Cu-Kα de 0.154 nm (monocromador de
grafito) y con un equipo de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) marca JEOL 6010 Plus, modo
de imagen de electrones secundarios y retrodispersionados. Ambos equipos pertenecientes al Centro
de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV) de Chihuahua.
2.4. Isotermas de adsorción
En 6 recipientes de vidrio se agregó un 1 g de zeolita con 35 ml de solución acuosa de As+5 a
30°C, la concentración de los recipientes varió de 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0 y 2.0 mg L-1, se agitaron a 200
rpm durante 24 horas. Posteriormente se filtraron y se determinó la concentración final mediante un
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equipo de Espectrometría Absorción Atómica marca Perkin Elmer Analyst 700. Este procedimiento
se realizó para las zeolitas.
2.5. Cinética de adsorción
En 16 recipientes se colocó 35 ml de solución de As+5 con concentración de 0.025 mg L-1, se
dividieron en 4 grupos que se les agregó diferente cantidad de zeolita; al primer grupo se le añadió
un 1 g al segundo 2 g, al tercero 3 g y finalmente al cuarto 4 g, se agitaron constantemente, cada
grupo se retiró a diferentes tiempos 12, 24, 36 y 48 horas respectivamente. Este procedimiento se
realizó para ambas zeolitas.
2.6. Columnas de Adsorción
Se utilizaron columnas de acrílico transparente con diámetro interno de 4 cm y una longitud
de 50 cm. Se empacaron las columnas con 800 g de zeolitas de manera independiente realizándose 8
corridas por columna con una solución de 2.5 mg L-1 de As+5. Se tomaron muestras al final de cada
corrida, se filtraron y se determinó la concentración por Espectrometría de Absorción Atómica.
Cabe mencionar que las concentraciones de As de las evaluaciones de las isotermas de adsorción,
cinética de adsorción y medición de la capacidad de adsorción por columnas empacadas se empleo
el estándar As+5 de 1000 ± 5 mg L-1 marca Merck, cada procedimiento se realizo por duplicado para
ambas zeolitas.
3. Resultados y discusión
3.1. Caracteristicas geológica, física y química de las zeolitas
La petrografía mostró la diferencia entre las zeolitas, la del estado de Chihuahua fue de color
blanco lechoso con minerales principales (cuarzo, plagioclasa, biotita, albita y montmorillonita) de
origen volcánico (rocas ígneas extrusivas) y la del estado de Guanajuato presentó un color blanco
lechoso con horizontes amarillos, minerales (cuarzo, plagioclasa, detrito riolítico y sideronatrita),
génesis producto de transporte sedimentario. El patrón de DRX de la muestra MACh presentó una
fase mineral mayormente de mizzonita cuya fórmula es
C0.83Al5.32Ca2.68Cl0.02K0.44Mg0.12Na0.76O27.09S0.15Si6.68. y heulandita. En tanto que la de MSF presentó una
fase mineral de zeolita tipo clinoptilolita-Ca, fórmula Al1.2Ca1.58H30O46.9Si16.8. (Fig. 2).
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Figura 2. Difractogramas del material zeolítico de A) Aldama, Chihuahua (MACh) y
B) San Felipe, Guanajuato (MSF).
Figure 2. Diffractograms of zeolitic material of A) Aldama, Chihuahua (MACh) and
B) San Felipe, Guanajuato (MSF).
La composición en porcentaje de peso de los elementos presentes en cada material varió,
MACh mostró un contenido de 51.9% de oxígeno (O), 37.3% de Silicio (Si) y 5.5% de Aluminio (Al),
es un aluminosilicato conformado en su mayoría por los minerales mizzonita, plagioclasas, cuarzo,
zeolita y caolín, con menor proporción de K, Ca, Fe, Mg y Na. MSF presenta altos porcentajes de
46.2% de O, 22.1% de Si y 9.3% de Al, mayormente conformado por zeolita clinoptilolita y un 2.2%
de Ca por el tipo de zeolita cálcica. Adicionalmente posee elementos como K, Fe, Na y Mg presentes
en los demás minerales que conforman el material. Las relaciones Si/Al de los materiales fue para
MACh de 2.37 y para MSF de 6.78, el yacimiento del Municipio de Aldama contiene menos sitios
activos.
A)
B)
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3.2. Isotermas y cinética de adsorción
El proceso de adsorción de arsénico se adaptó al modelo de Freundlich por el coeficiente R2
las zeolitas presentaron 0.9962 para MACh y 0.9999 para MSF ambas cercanas a 1 (Carbonel-Ramos,
2018). La (qe) de MSF fue mayor comparada con la proveniente del estado de Chihuahua, en tanto
que la constante 1/n en ambos materiales fue menor de 1 por lo que la adsorción ocurre con la
formación de multicapas (Tablas 1).
Tabla 1. Parámetro promedio de la isoterma de Freundlich para la adsorción de As de los Municipios
de Aldama (MACh) y San Felipe (MSF).
Table 1. Average parameter of the Freundlich isotherm for As adsorption from the municipalities of
Aldama (MACh) and San Felipe (MSF).
Modelo Freundlich
MACh
MSF
qe (mg/g)
Desv (qe)
0.0034
±0.006
0.0053
±0.004
K
0.0056
0.0095
1/n
0.9478
0.9678
R2
0.9962
0.9999
La zeolita MACh con 2, 3 y 4 g presentó concentraciones mayores a la inicial (0.025 mgL-1) valores
entre 0.033 a 0.064 mgL-1, al incrementar la masa adsorbente y el tiempo de contacto (horas) se
incrementó la concentración de As. El mineral de MSF al agregarse 3 y 4 g disminuyó la
concentración original a 0.014 y 0.015 mgL-1, con un 1g, el As permaneció igual a la concentración
original, con 2 g aumento de 0.025 a 0.027 mgL-1 mostrando desorción. Al comparar ambos materiales
MSF tiene una capacidad de adsorción (C/C0) mayor que MACh, cuando la masa adsorbente es un
1 g y con el tiempo de contacto mayor a 30 horas (Fig 3).
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Figura 3. Cinética de adsorción de MACh y MSF
Figure 3. Adsorption kinetics MACh and MSF.
La remoción en la primera corrida que presentaron ambas zeolitas fue de 96 y 94%
respectivamente, posteriormente los porcentajes de remoción variaron en cada corrida aumentando
o disminuyendo la adsorción (Tabla. 2), esto por el ensamblaje de canales interconectados horizontal
y verticalmente (Pérez-González, et al. 2020). El tiempo de contacto de la solución en la primera
corrida fue aproximadamente de una semana ya que el tamaño de la zeolita no permitió la salida de
la solución de manera inmediatamente. Una vez saturado los materiales disminuyeron los tiempos
de contacto a un día. La remoción que presentaron los materiales está altamente ligados a la
estructura cristalina tridimensional que posee cada tipo de zeolita. El intercambio dentro de las
zeolitas es debido al desajuste en la carga de los tetraedros de la estructura, ésta es debido a la
sustitución de algunos Si+4 por Al+3 siendo estos equilibrados por iones intercambiables.
Ambas zeolitas proceden de una población normal (Fig. 4), ya que se puede observar que los valores
de distribución de probabilidad son mayores a (0.01). La zeolita MSF presenta una desviación
estándar de 19.81, valor promedio de 51.18% de remoción, en tanto que la desviación estándar de
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MACh fue de 31.20, valor promedio de 49.01%, lo que indica que el material que presenta mayor
remoción de arsénico en agua es el del estado del centro de México. Sin embargo, se puede aumentar
la capacidad de remoción de ambas zeolitas, Khatamian et al. (2023) modificaron la zeolita mediante
el uso de nanocompuestos de Fe3O4/zeolita y Fe2O3/zeolita alcanzando porcentajes máximos de
eliminación de arsénico del 95.,39% y 98.,52%, respectivamente. Es importante considerar también
lo señalado por Janashvill & Akhalbedashvilli (2023) las propiedades de sorción del mineral
dependen del tipo de tratamiento químico y térmico del pH, la concentración de la solución estándar
y el grado de dispersión y sobre todo la forma iónica en que se encuentra presente el arsénico.
Tabla 2. Porcentaje de remoción de As de los Municipios de Aldama (MACh) y San Felipe (MSF)
Table 2. Percentage of As removal for the Municipalities of Aldama (MACh) and San Felipe (MSF)
Corridas
Co (ml L-1)
MACh (%R)
MSF (%R)
1
2.381
96.31
94.71
2
2.108
27.56
60.44
3
2.849
45.51
43.87
4
2.545
93.94
53.01
5
2.256
44.8
35.42
6
2.250
40.13
48.50
7
2.077
38.03
41.01
8
2.300
5.77
32.46
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Figura 4. Gráfico de probabilidad de MACh y MSF.
Figure 4. Probability graph of MACh and MSF.
4. Conclusiones
Los minerales tuvieron diferentes características geológicas, la fase dominante para MSF fue la
clinoptilolita-Ca, mientras que para MACh fue la mizzonita con cantidad reducida de heulandita. La
relación de Si/Al varió de un material a otro para MACh fue de 6.78 y para MSF fue de 2.37, lo que
reflejo la capacidad mayor de MFS en intercambio iónico y adsorción, facilitando la remoción de
arsénico. El análisis de las isotermas de adsorción se ajustó al modelo de Freundlich ambas muestras
presentaron sitios infititos adsorbentes con diferentes afinidades, iniciándose la adsorción en los
sitios activos con mayor afinidad al catión As+5 del estándar. En cuanto a la cinética de adsorción,
MACh mostró que a menor cantidad de material y menor tiempo mayor adsorción, al contario de
MSF que ha mayor cantidad de material y mayor tiempo es mayor porcentaje de remoción.
El material MACh aún que no contuvo importante cantidad de material zeolitíco no presentó una
diferencia considerable en el porcentaje de remoción con MSF. Por lo que los dos materiales
provenientes del estado de Chihuahua y Guanajuato si remueven arsénico siendo factibles para dar
un tratamiento previo al agua que contenga arsénico. Ambos porcentajes de remoción de los
materiales se puede aumentar a través de un proceso de modificación.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnológia (CONACYT) por el apoyo financiero a través de la
Convocatoria Atención a Problemas Nacionales 2015. Proyecto de Investigación “Utilización de
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zeolitas naturales mexicanas para la remoción de contaminantes en agua”, con clave de referencia
747.
Conflicto de interés
Los autores declaran que no existe conflictos de intereses en la publicación de estos resultados.
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2023 TECNOCIENCIA CHIHUAHUA
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https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
