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ResumenEl Perú es un país con extensas

zonas rurales donde los pobladorescarecen de agua potable y utilizanpara el consumo agua sin ningúncontrol. El arsénico en aguas es tóxi-co y acumulativo, trayendo consigoconsecuencias severas para el serhumano. Esto se torna particular-mente grave en estas zonas, dondeel abastecimiento de agua es provis-to por fuentes puntuales cuyo análi-sis sistemático está fuera del alcan-ce de los organismos controladores.

En el presente trabajo, se imple-mentó la tecnología de remoción dearsénico bajo irradiación solar(RAOS) comparando los resultadoscon los obtenidos bajo irradiacióncon luz ultravioleta (UV) de una lám-para. Para concentraciones de arsé-nico de hasta 500 ppb y una relaciónFe2+/citrato de 1,8:1, el arsénico pu-do ser removido hasta en un 95 %después de 4 horas de irradiaciónsolar o UV de ∼ 7,5 mW/cm2. Los re-sultados muestran que el métodoaquí propuesto podría ser aplicado

fácilmente en zonas rurales debido asu simplicidad operativa y económica.

3.1. IntroducciónEl deterioro de la calidad del agua

es uno de los problemas más gravesdel Perú, lo cual es un impedimentopara lograr el uso eficiente del recur-so, comprometiendo el abasteci-miento en calidad y cantidad. Lascausas principales que originan es-tos problemas son la contaminaciónindustrial, la falta de tratamiento delas aguas servidas y el uso indiscri-minado de agroquímicos. La conta-minación industrial más significativaes la que proviene de la minería,pesquería y sector de hidrocarburos,que alteran y afectan el medio am-biente, en especial las aguas.

Dado que el Perú es un país mi-nero por excelencia, la contamina-ción minera representa un rubro im-portante debido a sus característicasgeológicas. Esta industria se carac-teriza por desarrollarse, generalmen-te, en zonas rurales y desoladas, al-terando el medio ambiente de las co-

Capítulo 3

Clido Jorge*, Jessica Nieto*, Silvia Ponce*,Juan Rodríguez*,**, José Solís*,** y Walter Estrada*,**

Remoción de Arsénico del AguaMediante Irradiación Solar

en Lima, Perú

* Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, Casilla Postal 31-139, Av. Tupac Ama-ru 210, Lima, Perú** Instituto Peruano de Energía Nuclear, Av. Canadá 1470, Lima, Perú

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Remoción de Arsénico del Agua Mediante Irradiación Solar en Lima, Perú

munidades locales en forma negati-va y produciendo riesgos a la sa-lud(1). La contaminación se origina enlos vertidos de desechos o relavesmineros, portadores de contaminan-tes tóxicos (Pb, Cd, Hg, Cu, As yotros). La Dirección General deAguas y Suelos del Ministerio deAgricultura reportó en 1992 que lasaguas de los ríos Moche, Cañete,Pisco, Acari, Yauca, Caravelí, Oco-ná, Camaná-Majes, Vitor-Chilli, Tam-bo, Locumba, Sama y Caplina sobre-pasan en exceso los niveles permisi-bles de Cd, Cr, Ni, Cu, Pb, Zn, As ycianuro. De estos contaminantes conalto potencial tóxico, el arsénico esde gran relevancia desde el punto devista de salubridad y ambiental.

3.2. Impacto del arsénicosobre la salud humanaVarios países de América Latina

como Argentina, Chile, México, ElSalvador y Perú, presentan alta con-taminación por arsénico, y por lo me-nos 4 millones de personas bebenen forma permanente agua con nive-les de arsénico que ponen en riesgosu salud(2).

La acumulación del As en el orga-nismo (en huesos, músculos y piel y,en menor grado, hígado y riñones)puede ocasionar afecciones cróni-cas como alteraciones en la piel, conefectos secundarios en el sistemanervioso, irritación de los órganosdel aparato respiratorio, gastrointes-tinal, hematopoyético y, en últimotérmino, la muerte. En las personasque sobreviven, se ha observadouna anomalía en la médula ósea, he-mólisis, hepatomegalia, melanosis,polineuropatía y encefalopatía(3).

Existe evidencia epidemiológicaque la ingestión prolongada de arsé-nico en agua provoca hiperquerato-sis palmo-plantar, cuya manifesta-ción principal es la pigmentación dela piel y callosidades en las palmasde las manos y pies, que luego deri-va a la melanodermia y, por último, alcáncer de piel(4, 5). Además, la pre-sencia de arsénico en el agua, su ac-ción contaminante y la incidencia deenfermedades de la piel, especial-mente el HACRE (HidroarsenicismoCrónico Regional Endémico), provo-có un gran impacto en la salud en Ar-gentina y México, que se describenen diferentes estudios(6).

Asimismo, la agencia de Protec-ción Ambiental de los Estados Uni-dos de Norte América (US EPA) y laOrganización Mundial de la Salud(OMS) clasifican al arsénico comocarcinogénico del grupo "A", debidoa la evidencia de sus efectos adver-sos sobre la salud. Por ello, se esta-blece como Límite Máximo Permisi-ble (LMP) de As una concentraciónde 0,050 mg/L para consumo huma-no. Sin embargo, algunos estudiosinforman que la exposición a estaconcentración de As puede causar31,33 casos de cáncer a la piel porcada 1000 habitantes, por lo que laOMS ha considerado bajar el LMP a0,010 mg/L. En el Perú, la Ley Gene-ral de Aguas establece una concen-tración de 0,100 mg/L, por lo cualexiste gran preocupación y alarmapor posibles riesgos a la salud. Porotra parte, hay que tener en cuentaque la eliminación natural del orga-nismo humano del arsénico es porvía urinaria, heces, sudor y desca-mación epidérmica (epitelio de la

Remoción de Arsénico Asistida por Luz Solar en Comunidades Rurales de América LatinaSolar Light Assisted Arsenic Removal in Rural Communities Of Latin America

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piel)(2), que complica aún más la si-tuación.

3.3. Técnicas de remoción dearsénico: limitaciones, venta

jas y desventajasEn general, los tratamientos para

potabilizar agua están orientados aremover la turbiedad y los microorga-nismos patógenos de origen fecal.Esta remoción se logra a través deuna combinación adecuada de pro-cesos: coagulación, floculación, sedi-mentación, filtración y desinfección.

Sin embargo, cuando se desea remo-ver elementos químicos del agua, co-mo el arsénico, las tecnologías utili-zadas son más complejas, como ad-sorción sobre alúmina activada, inter-cambio iónico, electrodiálisis, osmo-sis inversa, etc., además de la coa-gulación(7). La Tabla 1 muestra un re-sumen bibliográfico de varias técni-cas utilizadas para la remoción de ar-sénico del agua potable y de lasaguas residuales industriales.

La remoción de arsénico dependede sus formas presentes en el agua

Tabla 1. Resumen de las técnicas aplicadas en la remoción de arsénicoTable 1. Summary of Arsenic Removal Techniques

n.d.: no detectada , Fuente: Petkova V., 1999.

Coagulación consales de hierro /Coagulation withiron salts

Coagulación consales de alúmina /Coagulation withalumina salts

Precipitación con cal/ Lime precipitation

Adsorción en alúmi-na activada /Adsorption in acti-vated alumnina

Intercambio iónico /Ionic exchange

Ósmosis inversa /Inverse osmosis

Electrodiálisis /Electrodialysis

Brewestwer, 1992Logsdon, 1974Logsdon, 1974Shen, 1973Sorg, 1978Sorg, 1978

Logsdon, 1974Logsdon, 1974Sorg, 1978Sorg, 1978

Nishimura, 1985Nishimura, 1985Nishimura, 1985Nishimura, 1985

Frank, 1986Frank, 1986Clifford, 1991Clifford, 1991

VanceCalmon, 1973

Clifford, 1991Clifford, 1991

Clifford, 1991

arsénico oxidadoarsenatoarsenitoarsenatoarsenatoarsenito

arsenatoarsenitoarsenatoarsenito



arsenatoarsenato

arsenitoarsenato

arsenito

[As] (mg/l)Forma de As / As formTécnica Fuente / Reference

560,350,350,560,300,30

0,350,350,300,30

50050022

0,100,100,0570,031

10068

0,0370,051

0,188

0,010,0060,1400,010,0060,138

0.0740.2630.0300.249

420.020.160

0.004inefectivo / inefective n.d.pH=6 inefectivopH=6 inefective

<0,80 de 0 a 12,2

0,0070,0015

0,136

Inicial / Initial Final / Final

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y del grado de oxidación del mismo.La Tabla 2 presenta un resumen devarios resultados informados en la li-teratura sobre la remoción de arse-niatos. El As(V) puede ser removidoen forma efectiva por coagulacióncon sales de Al(III) o Fe(III) y porprocesos de ablandamiento con cal ysoda. Los coagulantes se hidrolizanformando hidróxidos, sobre los cua-les el As(V) se adsorbe y coprecipitacon los otros iones metálicos(2). Elproceso de coagulación, al igual quela precipitación con cal, son depen-dientes del pH del agua tratada, deltipo y dosis de coagulante, así comode la concentración inicial del ele-mento, siendo factible sólo para lasaguas superficiales. Por otra parte,la dosis de coagulante requerida pa-ra reducir arsénico a niveles acepta-bles es muy alta, lo que origina gran-des cantidades de lodos, los cuales,a su vez, deben ser tratados adecua-damente(2).

Los procesos de intercambio ióni-co, ósmosis inversa y electrodiálisisutilizan resinas aniónicas o membra-nas específicas poco accesibles porsu escasez y alto costo. Además, losdos últimos procesos se caracterizanpor un elevado consumo energético,así como de un mantenimiento y

operación de plantas por personalcalificado, lo que repercute en elcosto del agua tratada(7). Por las ra-zones anteriores, los procesos parala remoción de arsénico descritosanteriormente resultan muy costo-sos, además de no asegurar la re-moción de arsénico hasta una con-centración menor de 0,050 mg/L, talcomo se muestra en la Tabla 1.

El objetivo principal de este estu-dio fue evaluar la aplicación de unmétodo de tratamiento de muy bajocosto y de fácil manejo para removerel arsénico presente en las aguasnaturales de pozos de zonas rurales,haciendo a estas aguas aptas paraconsumo humano. Este método(8) sebasa en la formación del complejo ci-trato de Fe(III), que permite la oxida-ción del As(III) a As(V) a través deespecies activas formadas por irra-diación con luz solar en presencia deoxígeno. El As(V) se adsorbe fuerte-mente sobre el precipitado de hidró-xido de hierro que se forma en esascondiciones, y flocula. Se agregan alagua algunas gotas de jugo de limóny una solución de Fe(II) como sal deMohr (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O). Estetratamiento se realiza en botellas deplástico, que se exponen al sol poralgunas horas. Las botellas se colo-

Tabla 2. Eficiencia de coagulantes en la remoción de arsénicoTable 2. Coagulant Efficiency in Arsenic Removal

Coagulante / Coagulant

Sulfato Férrico, Fe2(SO4)3

Sulfato de alúmina, Fe2(SO4)3

Arsenato, As(V)

C pH

100

90

<9,0

<7,0

20

50

<9,0

<7,0

Remoción / pHRemoval(%)

Arsenito, As(III)


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can luego en posición vertical duran-te la noche, para que decanten laspartículas de hidróxido de hierroconteniendo el As(V), y luego se fil-tra a través de paños textiles o algo-dón.

Como puede deducirse, este mé-todo no requiere equipos caros, nielevados costos de energía. Sólo ne-cesita la acción permanente del sol,y es, por lo tanto, aplicable a regio-nes con alta incidencia de radiacióndiurna, es decir, con más de 3000horas de sol en promedio por año.Esta tecnología ha sido aplicada conbastante éxito en países como Co-lombia, Tailandia, México y Bangla-desh.

3.4. Lugar de estudioLas pruebas se realizaron en Li-

ma, ciudad de la costa peruana(12°01' S, 77°06' O), que posee unamenor incidencia de la radiación so-lar con respecto a las zonas rurales(Región Andina) en las que se llega,por ejemplo, hasta las 4000 horas desol por año. Por esa razón, es de es-perarse que la tecnología aquí pro-puesta se pueda aplicar en la RegiónAndina con mejores resultados.

3.5. Metodología Se trataron muestras de agua con

concentraciones de As(III) de 0,200y 0,500 mg/L. A 500 mL de agua con-tenida en una botella de plástico depolietilentereftalato (PET) se le adi-cionaron 10 gotas de jugo de limón(equivalente a 0,5 mL aprox.) y 0,5mL de solución de Fe(II) de 5000ppm provenientes de la sal de Mohr.La relación molar de Fe2+/citrato fuevariada en el rango de 0 a 10. La bo-

tella fue irradiada con luz solar o delámpara UV por un lapso de 3 a 4 ho-ras. En los experimentos, se irradia-ron simultáneamente 4 muestras deidénticas características en distintasbotellas de PET. Cada 30 minutos seretiraba una de ellas, y se colocabaen la oscuridad para ser analizadaposteriormente, dejándola en reposodurante toda la noche para la decan-tación. Al día siguiente, la muestraera filtrada, y se determinó la con-centración de arsénico total presenteen el agua mediante un método es-pectrofotométrico con dietilditiocar-bamato de plata(9).

3.6. Resultados y discusiónLos resultados se presentan de la

siguiente manera: inicialmente semuestra un análisis de la influenciade la relación Fe2+/citrato en la mues-tra irradiada con luz solar. Seguida-mente, se muestran resultados obte-nidos iluminando con luz UV de dis-tintos arreglos de lámparas y, final-mente, se informan los resultados demuestras iluminadas con luz solar.

a) Optimización de la relación Fe2+/citrato Para ello se realizaron variacio-

nes sobre la relación molar Fe2+/ci-trato de 2, 4, 6, 8 y 10, manteniendola concentración inicial de arsénicoconstante (200 ppb, como As (III)).Se irradió con luz solar durante 3 ho-ras. Los resultados (Figura 1) mues-tran que un incremento en la relaciónFe2+/citrato produce una remociónpor debajo de 30 ppb. Se puede ob-servar, además, que la remoción deAs pasa por un máximo con respec-to a la relación Fe2+/citrato, lo cual

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ocurre cuando esta relación es cer-cana a 6, donde se llega a valoresde hasta 10 ppb de As. Hay que re-cordar que un incremento en la con-centración de Fe produce un aumen-to también sobre la concentración deFe residual en el agua tratada, locual es también perjudicial para lacalidad del agua. Por lo tanto, en losexperimentos siguientes se empleóuna relación molar Fe2+/citrato de1,8:1.

b) Irradiacióncon lámpara ultravioletaEn este experimento, la muestra

se irradió con luz ultravioleta prove-niente de dos arreglos. El primeroutiliza lámparas fluorescentes de"luz negra" General Electric de 20 Wy el segundo, una lámpara UV OS-RAM Ultravitalux de 300 W. La po-tencia por unidad de área de la ra-diación ultravioleta, medida a 365nm, durante el tiempo de la irradia-ción en la posición de la botella semidió con un radiómetro UDTS371R, dotado con un cabezal UVAsensible a 365 nm, y se muestran enlas Figuras 2(a) y 3(a), para las lám-

paras General Electric y OSRAM,respectivamente. Se puede observarque la intensidad de la radiación esaproximadamente constante durantela irradiación, alcanzando valores de~3 mW/cm2 para la lámpara GeneralElectric y ~7,5 mW/cm2 para la lám-para OSRAM. Ambas lámparas tie-nen una intensidad despreciable a285 nm.

Los resultados de la remoción dearsénico (500 ppb) bajo irradiacióncon la lámpara General Electric (~3mW/cm2) durante 90 minutos y con lalámpara OSRAM (~ 7,5 mW/cm2) du-rante 4 horas se muestran en las Fi-guras 2 (b) y 3 (c). En el primer caso,sólo se remueve el arsénico en un42 %; la máxima remoción se alcan-za ya en 30 minutos, y a mayorestiempos de irradiación no se observaun aumento en la remoción (Figura 2(b)). En el caso de la lámpara OS-RAM, el arsénico es removido casien su totalidad (95 % aprox.) en 4horas de tratamiento (Figura 3 (c)).Para una muestra con menor con-centración de As (200 ppb), irradiadacon la lámpara de ~ 7,5 mW/cm2, el95 % de As es removido después de

Figura 1.Concentración de Asvs. relación molarFe2+/citrato. La con-centración inicial deAs fue de 200 ppb

Figure 1. As concen-tration vs. Fe2+/cit-rate molar ratio. Theinitial As concentra-tion was 200 ppb


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4 horas de irradiación (Figura 3 (b)).En las Tablas 3 y 4 se muestran

las concentraciones de As obtenidasdespués de la irradiación con laslámparas UV de ~3 mW/cm2 y ~7,5mW/cm2, respectivamente.

En el primer caso (lámpara UV de~ 3 mW/cm2), la concentración de ar-sénico disminuye de 500 ppb a 280ppb en 90 minutos. Este resultadono cumple los requerimientos ni dela Normativa Peruana ni de las nor-mativas internacionales (OMS). Con

Figura 2. (a) Irradiación UV de una lámparamedida a 365 nm durante un experimento típi-co de descontaminación de As.(b) Eficiencia de remoción de arsénico conlámpara de luz UV. La concentración inicialdel arsénico era de 500 ppb.

Figure 2. (a) UV lamp irradiation measured at365 nm during a typical experiment of arsenicremoval (b) Typical experiment of arsenicremoval efficiency. The initial concentration ofarsenic was 500 ppb.

Figura 3. (a) Irradiación UV de una lámpara,medida a 365 nm, durante un experimentotípico de descontaminación de As (b)Eficiencia de remoción de arsénico con lám-para de luz UV. La concertación inicial delarsénico fue 200 ppb. (c) Eficiencia de remo-ción de arsénico con lámpara de luz UV. Laconcertación inicial del arsénico fue 500 ppb. /

Figure 3. (a) UV Lamp irradiation measured at365 nm during a typical experiment of arsenicremoval (b) Typical experiment of arsenicremoval efficiency. The initial concentration ofarsenic was 200 ppb (c) Typical experiment ofarsenic removal efficiency. The initial concen-tration of arsenic was 500 ppb.

la lámpara de ~7,5 mW/cm2, la con-centración se reduce de 500 ppb a30 ppb en 4 horas de tratamiento,ajustándose en este caso a la Nor-

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mativa Peruana, mientras que lamuestra de 200 ppb disminuye a <10 ppb, cumpliendo con lo requeridopor ambas regulaciones.

c) Irradiación con luz solarEn las Figuras 4(a) y 5(a) se pre-

senta la radiación solar en el mes deabril en W/m2 durante un experimen-to típico de remoción de arsénico,mientras que en las Figuras 4(b) y5(b) se puede observar la compo-nente ultravioleta de esta radiaciónmedida a 365 nm durante el trata-miento. Las Figuras 4(c) y 5(c)muestran la remoción de As obtenidairradiando la muestra durante 3 ho-

ras. Las medidas fueron realizadas aintervalos de 1 hora, con concentra-ciones iniciales de 200 (Figura 4) y500 ppb (Figura 5). La remoción deAs después de 3 horas de irradiaciónsolar fue de 95 % y 90 % a partir de500 y 200 ppb de As, respectivamen-te. Estos resultados sugieren la posi-bilidad de una remoción total em-pleando tiempos mayores.

Las tablas 5(a) y 5(b) muestran lavariación de la concentración de ar-sénico, partiendo de una concentra-ción inicial de 200 y 500 ppb, respec-tivamente. Los resultados obtenidosmuestran que en 3 horas de trata-miento, la concentración de arsénico

Tabla 3. Variación de la concentración de arsénico durante 90 minutos de tratamiento. Lairradiación fue realizada con una lámpara UV de ~ 3 mW/cm2 medida a 365 nm.Table 3. Variation in arsenic concentration during 90 minutes of treatment. Irradiation wasperformed with a UV lamp of ~ 3 mW/cm2 measured at 365 nm.

Tabla 4. Variación de la concentración de arsénico durante las 4 horas detratamiento. La irradiación fue realizada con una lámpara UV de ~ 7,5 mW/cm2

medida a 365 nm. Las concentraciones iniciales de arsénico fueron: (a) 200ppb y (b) 500 ppb.Table 4. Variation in arsenic concentration during 4-hour treatment. Irradiationwas performed with UV lamp of ~ 7,5 mW/cm2 measured at 365 nm. The initialconcentration of arsenic was: (a) 200 ppb and (b) 500 ppb.

TiempoTime (min)

0306090

[As] (mg/L)

0.5000.3000.3100.280

Tiempo / Time (min)

060120180240

a

[As] (mg/l)

0.2000.0550.0370.015< 0.010

Tiempo / Time (min)

060120180240

b

[As] (mg/l)

0.5000.2560.1350.0780.030


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decrece de 200 a 40 ppb y de 500 a60 ppb, respectivamente. En el casode la concentración inicial de 200ppb, se llega a una concentraciónmenor a 10 ppb luego de 4 horas deirradiación solar.

3.7. ConclusionesLos resultados muestran que irra-

diando con 7,5 mW/cm2 de luz UVA du-rante por lo menos 4 horas muestras deagua de 200 y 500 ppb de As, conte-niendo una relación molar Fe2+/citrato

Figura 4. (a) Irradiación solar durante unexperimento típico de descontaminación deAs. (b) Componente UVA medida a 365 nm deun experimento típico de descontaminación deAs. (c) Eficiencia de remoción de arsénicosometido a un tratamiento con luz solar. Laconcentración inicial de As fue de 200 ppb.Figure 4. (a) Solar irradiation during a typicalexperiment of As removal. (b) UVA componentmeasured at 365 nm for a typical experimentof As removal. (c) Efficiency of arsenicremoval under a solar light treatment. The ini-tial concentration of arsenic was 200 ppb.

Figura 5. (a) Irradiación solar durante unexperimento típico de descontaminación deAs. (b) Componente UVA medida a 365 nmpara un experimento típico de descontami-nación de As. (c) Eficiencia de remoción dearsénico con un tratamiento con luz solar. Laconcentración inicial de As fue de 500 ppb.Figure 5. (a) Solar irradiation during a typicalexperiment of As removal. (b) UVA componentmeasured at 365 nm for a typical experimentof As removal. (c) Efficient of arsenic removalunder solar light treatment. The initial concen-tration of arsenic was 500 ppb.

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de 1,8:1, se logra una remoción de ar-sénico que cumple la Norma TécnicaPeruana. La rapidez de eliminacióndel arsénico depende de la relaciónmolar Fe2+/citrato y es aparentementeproporcional a la intensidad de la luzUV.

De lo expuesto, se concluye queesta tecnología es efectiva para suaplicación a nivel domiciliario en zo-nas rurales del país con fuerte conta-minación por arsénico originada en laindustria minera, haciendo a estasaguas aptas para consumo humano.

Tabla 5. Variación de la concentración de arsénico durante las 3 a 4 horas detratamiento con irradiación solar. Las concentraciones iniciales de arsénico fueron: (a)200 ppb y (b) 500 ppb

Table 5. Variation in arsenic concentration during 3 to 4 hours of treatment with solarirradiation. The initial concentration of arsenic was: (a) 200 ppb and (b) 500 ppb

Tiempo / Time (min)

060120180240

a

[As] (mg/l)

0.2000.0630.0490.039< 0.010

Tiempo / Time (min)

060120180

b

[As] (mg/l)

0.5000.2100.0700.060

1 Boletín del Área de Recursos Naturales y del Medio Ambiente Centro de Investigación de la Universidaddel Pacífico. Economía y Ambiente, 1999.2 Esparza M. L., Wong M. Abatimiento de Arsénico en aguas subterráneas para zonas rurales. XXVICongreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, 3 al 8 de Diciembre, Porto Alegre, Brasil,1998.3 Environmental Health Criteria, Monograph of the Programme on Chemical Safety and the CanadianCentre for Occupational Health and Safety, N° 224: Arsenic, 2001. 4 Callegaro R., Cusimano N., Deambrosi N., Albina L., Reporte interno, Métodos Prácticos para laCorrección de aguas arsenicales. Laboratorio de Ingeniería Sanitaria, Dpto. de Hidráulica, Facultad deIngeniería, Universidad Nacional de La Plata, Buenos Aires. 1992.5 Ríos E., Lorenz A., Ríos R., Estado actual del arsenicismo crónico en la provincia de Tucumán. RevistaMédica de Tucumán 3, 67, 1997.6 Relevamiento de comunidades rurales de América Latina para la aplicación de tecnologías económicaspara la potabilización de aguas. M. Litter (Ed.), Digital Grafic, La Plata, 2002.7 Petkova V.,. Estudio piloto para remoción del arsénico, Estado de Hidalgo, México. Ingeniería Hidráulicaen México, vol. XIV, N° 3 (1999) 65.8 http://www.sandec.ch/water/SORAS.pdf.9 APHA AWWA, WPCF, "Métodos Normalizados para el análisis de aguas potables y residuales", Ed. Díasde Santos S.A., págs.: 3-83 (1992).

Referencias


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Chapter 3

Clido Jorge*, Jessica Nieto*, Silvia Ponce*, Juan Rodríguez*,** José Solís*,** and Walter Estrada*,**

Arsenic Removal of Water UsingSolar Radiation in Lima, Peru

AbstractPeru is a country with extensive rural

zones in which the inhabitants do nothave access to potable water, and theyconsume non-controlled water. Arsenicin natural waters is toxic and accumula-tive, leading to severe consequencesfor human beings. This is especiallydramatic in these areas, where drinkingwater is obtained from sources wheresystematic analysis by controllingorganisms is out of question.

In the present work, the SolarOxidation Removal of Arsenic (RAOS)technology was implemented, compar-ing the results with those obtainedunder ultraviolet light from a lamp(UV). For arsenic concentrations up to500 ppb and a Fe2+/citrate ratio of1.8:1, arsenic was removed to 95 %after four hours under solar irradiationor UV of ~7.5 mW/cm2. The resultsindicate that the method here pro-posed is promising for household usein rural zones, due to its operative andeconomical simplicity.

3.1. IntroductionThe deterioration of water quality is

one of the most serious problems inPeru; an efficient use of this resource is

not possible, due to the bad quality andquantity of its supply. The principalcauses of poor water quality are indus-trial contamination, lack of treatmentand indiscriminate use of agro-chemicalproducts. The most significant industrialcontamination comes from the miningand fishing sectors as well as the hydro-carbon sectors, which alter and affectthe environment, especially the water.

In Peru, mining is an important con-taminating source due to its wastesand byproducts. Owing to geologicalcharacteristics and mining resources,the mining industry generally developsin desertic rural areas. These activitiesalter the environment of the local com-munities in a negative way and pro-duce important health risks(1).

Contamination coming from miningis a carrier of toxic contaminants (Pb,Cd, Hg, Cu, As, among others). In 1992,the General Direction of Water andSoils of the Agriculture Ministry reportedthat the streams of the Moche, Cañete,Pisco, Acari, Yauca, Caravelí, Oconá,Camaná-Majes, Vitor-Chilli, Tambo,Locumba, Sama and Caplina riversovercome the permissible limit of Cd,Cr, Ni, Cu, Pb, Zn, As and cyanide.Among all these contaminants with a

* Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, P.O. Box 31-139, Av.Tupac Amaru 210, Lima, Peru** Instituto Peruano de Energía Nuclear, Av. Canadá 1470, Lima, Peru

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Arsenic Removal of Water Using Solar Radiation in Lima, Peru

high toxic power, arsenic is of high rele-vance from the human and environ-mental health point of view.

3.2. Impact of arsenicon human healthSeveral Latin American countries,

such as Argentina, Chile, Mexico, ElSalvador and Peru, present high arseniccontamination. At least, 4 million peopleare drinking permanently water witharsenic levels of high health risk(2).

The accumulation of As in theorganism (in bones, muscles and skinand, to a less extent, in liver and kid-neys) can result in chronic diseasessuch as skin alterations, with second-ary effects in the nervous system, irri-tation in the respiratory, gastrointesti-nal, and hema-topoietic systems, andfinally, death. If people survive, theypresent marrow anomaly, hemolysis,hepathomegaly, melanosis, poli-neu-ropathy and encephalopathy(3).

There is epidemiological evidencethat people with prolonged arsenicingestion from drinking water haveexperienced palm-plant hyper-kerato-sis, whose principal symptom is skinpigmentation and calluses in the palmsof the hands and feet, which then devel-ops into melanodermis and finally intoskin cancer(4, 5). Furthermore, the pres-ence of arsenic in water, its degree ofcontamination and the incidence of skindiseases, especially HACRE (ChronicRegional Endemic Hydroarsenicism)provokes a great health impact inArgentina and Mexico, which has beendescribed in different studies(6).

The United States EnvironmentalProtection Agency (US EPA) and theWorld Health Organization (WHO)classify arsenic as a Group "A" car-cinogen, due to the evidence of its

adverse health effects. As a result, theAs maximum permissible limit (MPL)for human consumption is 0.050 mg/L.However, according to recent studies,As exposure at this concentration cancause 31.33 cases of skin cancer per1000 habitants; consequently, WHOhas considered that the MPL should belowered to a value of 0.010 mg/L. InPeru, the Water General Law estab-lishes a concentration of 0.100 mg/L,resulting in increased concern andalarm for its health risks. It is importantto take into account that the naturalelimination of arsenic from the humanorganism is through the urinary way,feces, sweat and skin peeling, compli-cating even more the situation(2).

3.3. Arsenic removal techniques:limitations, advantages and disad-vantages

In general, drinking water treatmentis oriented towards the removal of tur-bidity and pathological microorgan-isms of fecal origin. This removal isachieved through an adequate combi-nation of different processes: coagula-tion, flocculation, sedimentation, filtra-tion and disinfection. However, whenthe objective is to remove chemicalelements, such as arsenic, the tech-niques used are much more complex,such as adsorption on activated alu-minum, ionic exchange, electrodialy-sis, inverse osmosis, in addition tocoagulation(7). Table 1 presents a bibli-ographic summary of the various tech-niques used for arsenic removal fromdrinking water and from industrialwastewaters.

Arsenic removal depends on itschemical form and oxidation state inwater. Table 2 presents a summary ofvarious results from the literature on


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arsenate removal. As(V) can beremoved effectively by coagulation withAl(III) or Fe(III) salts as well as by soft-ening processes with caustic lime andsoda. The coagulants are hydrolyzedforming hydroxides, on which As(V) isadsorbed and co-precipitated with theother metallic ions(2). The coagulationprocess, like the lime precipitationdepends on the pH of the treated water,the type and dose of the coagulant aswell as the initial concentration of theelement, and is suitable only for super-ficial waters. On the other hand, thedose of coagulant required to reducearsenic to acceptable levels is veryhigh, which results in great quantities ofwaste product that must also be treatedand disposed of adequately(2).

The ionic exchange process,inverse osmosis and electrodialysisuse anionic resins or specific mem-branes that are virtually inaccessibledue to their lack and high cost. On theother hand, the last two processes arecharacterized by a high-energy con-sumption as well as high costs ofmaintenance and qualified personnel,increasing the total costs(7). In conse-quence, most usual arsenic removalprocesses are expensive, and do notalways warrant reduction of arsenic toconcentrations below 0.050 mg/L, asshown in Table 1.

The principal objective of this studywas to provide a low-cost, easy-to-usehousehold method to remove thearsenic present in natural waters ofwells from rural areas, making the waterapt for human consumption. Thismethod(8) is based on the formation ofthe Fe(III)-citrate complex, which per-mits oxidation of As(III) to As(V) throughactive species formed by solar light irra-diation in the presence of oxygen. As(V)

is strongly adsorbed on the iron hydrox-ide precipitate, which forms under theseconditions, and flocculates. Citrate isadded in the form of lemon juice to thewater, together with a Fe(II) solution asMohr salt (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O). Thistreatment is carried out in plastic bot-tles, which are exposed to sunlight forseveral hours. The bottles are thenplaced in a vertical position during thenight to decant the iron hydroxide parti-cles with As(V), and the next day theyare filtered using textile cloths or cottonas filters.

As can be deduced, this methoddoes not involve expensive equipmentor elevated energy costs. It onlyrequires the permanent action of thesun, being therefore applicable toregions with a high incidence of day-light radiation, that is, more than 3,000hours of average sunshine per year.This technology has been applied suc-cessfully in countries such asColombia, Thailand, Mexico andBangladesh.

3.4. Study location The study tests were performed in

Lima, a city of the Peruvian coast(12°01' S, 77°06' W), with a lower inci-dence of solar radiation compared tothe rural areas (Andean Region) wherethere may be up to 4,000 hours ofaverage sunshine per year.Consequently, we expect to have evenbetter results with the technology inrural areas.

3.5. MethodologyWe performed tests with samples of

0.200 and 0.500 mg/L As (III). For 500mL of sample, 10 drops of lemon juicewere added (equivalent to ca. 0.5 mL)and 0.5 mL of a 5000 ppm Fe (II) solu-

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Arsenic Removal of Water Using Solar Radiation in Lima, Peru

tion in the form of Mohr salt. TheFe2+/citrate molar ratio was varied in therange from 0 to 10. The sample wasirradiated with solar light or with a UVlamp for 3 or 4 hours parts. Four identi-cal samples were irradiated simultane-ously in PET bottles. Every 30 minutes,one of the bottles was removed fromlight and placed in the dark to be lateranalyzed. It was left during the night fordecantation. The next day, the samplewas filtered and the total arsenic con-centration was measured by a spec-trophotometric method with silverdiethyldithiocarbamate(9).

3.6. Results and discussionThe results are presented as follows.

First, an analysis of the influence of theFe2+/citrate ratio on the sample irradiat-ed with solar light is shown. Next,results performed with UV light from dif-ferent ultraviolet lamp arrays are report-ed and, finally, results of samples irradi-ated under sunlight are shown.

a) Optimization of the Fe2+/citrateratio

For this sake, variations on theFe2+/citrate molar ratio of 2, 4, 6, 8 and10 were done, keeping constant the ini-tial arsenic concentration (200 ppb, asAs(III)). The samples were irradiatedunder sunlight for 3 hours. Results(Figure 1) show that an increase on theFe2+/citrate ratio produces a removalunder 30 ppb. It can be observed, inaddition, that the As removal goesthrough a maximum with respect to theFe2+/citrate ratio, and that this occurswhen this ratio is close to 6, where val-ues of 10 ppm can be attained. It isworthwhile to remember that anincrease on Fe concentration producesan increase on the residual Fe concen-

tration in water, which is also detrimen-tal for the water quality. Consequently,in the following experiments a Fe2+/cit-rate ratio of 1.8:1 was used.

b) Ultraviolet lamp irradiationIn this experiment, the sample was

irradiated with two ultraviolet lightarrays. The first one uses a GeneralElectric fluorescent "black light" lamp,20 W, and the second one uses anOSRAM Ultravitalux UV lamp 300 W.The UV light power per unit area at365 nm, during the irradiation time inthe position of the bottle was meas-ured with a radiometer UDT S371R,equipped with a 365 nm UVA-sensitivehead, and it is shown in Figures 2(a)and 3(a), for General Electric andOSRAM lamps respectively. It can beobserved that the radiation intensity isvirtually constant, reaching values of~3.0 mW/cm2 for the General Electriclamp and ~7.5 mW/cm2 for theOSRAM lamp. Both lamps show anegligible component a 285 nm.

The results of As removal (500 ppb)under irradiation with the GeneralElectric lamp UV light (~3.0 mW/cm2)for 90 minutes and with the OSRAMlamp (~7,5 mW/cm2) for 4 h are shownif Figures 2(b) and 3(c). In the firstcase, As is removed only in 42 %; themaximal removal is attained in only 30min, and longer irradiation times didnot result in an increase of removal(Figure 2(b)). In the case of theOSRAM lamp, As is almost totallyremoved (ca. 95 %) in 4 h (Figure3(c)). In Tables 3 and 4, As concentra-tions obtained after irradiation withboth lamps are presented.

In the first case (~3 mW/cm2 UVlamp), As concentration decreases from500 ppb to 280 ppb in 90 minutes. This


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result does not satisfy the requirementsof the Peruvian Norm or those of theinternational norms (WHO). With the~7,5 mW/cm2 lamp, As concentration isreduced from 500 ppb to 30 ppb en 4hours of treatment, a value in agree-ment with the Peruvian Normative, whilethe 200 ppb sample decreases to <10ppb, in agreement with both regulations.

c) Solar light irradiationFigures 4(a) and 5(a) present the

data on solar radiation in April in W/m2

for a typical As removal experiment,while Figures 4 (b) and 5 (b) presentthe ultraviolet component of this radia-tion measured at 365 nm during thetreatment. Figures 4(c) and 5(c) showAs removal from the sample irradiatedduring 3 hours of treatment.Measurements were performed everyone-hour intervals, for initial As con-centrations of 200 ppb (Figure 4) and500 ppb (Figure 5). As removal after 3h was 95 and 90 % from 500 and 200ppb, respectively. These results sug-gest the possibility of a total As

removal using longer exposure times. Tables 5(a) and 5(b) show the vari-

ation of arsenic concentration startingfrom 200 and 500 ppb, respectively.The results show that after 3 hours oftreatment, As concentration decreasesfrom 200 to 40 and from 500 to 60 ppb,respectively. In the case of 200 ppb, aconcentration lower than 10 ppb isattained after 4 h of solar exposure.

3.7. ConclusionsThe results show that for a contam-

ination of 200 ppb and 500 ppb ofarsenic in water with a Fe2+/citratemolar relation of 1.8:1, arsenic removalwas achieved after 4 hours of solarirradiation (~7.5 mW/m2), in agreementwith the Peruvian Normative. The rateof As removal depends on the Fe2+/cit-rate ratio and is apparently proportion-al to the UV light intensity.

Based on the results of our study, weconclude that this technology is applica-ble at a household level in rural areas ofthe country with high As levels comingfrom of the mining industry. In this way,drinking water can be obtained.

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Referencias

cap™tulo 3 remociŠn de ars”nico del agua mediante ... · el ars”nico en aguas es tŠxi - co...

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