Rehabilitación electroquímica
del suelo


Rehabilitación electroquímica
del suelo
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El interés por contar con un suelo sin contaminantes ha generado la necesidad de desarrollar diferentes metodologías de rehabilitación, en su caso. Los tratamientos de suelo existentes pueden incluir técnicas físicas, químicas, térmicas y biológicas; opciones que ofrecen soluciones para eliminar la mayoría de los contaminantes; sin embargo, algunos de ellos son difíciles de eliminar mediante tecnologías de remediación convencional, porque no sólo son tóxicos o persistentes, sino también de baja solubilidad, por lo que se adsorben en el suelo, lo que ocurre en mayor proporción en suelos arcillosos de baja permeabilidad, como los suelos de cultivo.
     Ante este escenario, en el laboratorio de tratamiento de suelo del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica, S. C. (Cideteq), ubicado en Querétaro, Qro., se ha venido desarrollando —desde hace siete años— la rehabilitación electroquímica de suelo para eliminar y/o transformar contaminantes orgánicos e inorgánicos, con el fin de propiciar la redistribución de nutrientes en el suelo para el desarrollo de organismos vivos

El tratamiento electocinético (TEC) o electrorremediación (ER) de suelos ha cobrado auge como alternativa para limpiar sitios contaminados con compuestos orgánicos e inorgánicos. Los reportes de estudios aplicados aportan evidencia de que esta tecnología es viable para aquellos sitios en los cuales se hallan los contaminantes en concentraciones muy pequeñas.1, 2, 3 
     Este proceso requiere de un suelo humectado, donde se insertarán, al menos, dos electrodos o arreglo 1D (figura 1): un ánodo (superficie conductora que pierde electrones) y un cátodo (superficie conductora que gana electrones). Al aplicar una corriente (i [=] A = Amper) o potencial (E [=] V = Volt) constante o intermitente con una fuente de poder o potenciostato, las reacciones de electrólisis del agua producen protones (2H2O – 4e- B O2 + 4H+) en la interfase del ánodo e hidroxilos (2H2O + 2e- B H2 + 2-OH) en la interfase del cátodo. Tanto protones (H+) e hidroxilos (-OH), como iones presentes en el suelo —o adicionados como electrolito soporte (sal inerte que favorece la conductividad iónica)— se desplazan por electromigración (movimiento de iones) hacia el electrodo correspondiente por afinidad de carga, propiciando la remoción y/o solubilización del contaminante orgánico o inorgánico; por lo tanto, su transporte a través del suelo es favorecido por la generación de un flujo electroosmótico (movimiento de compuestos sin carga, por efecto de las moléculas de agua y/o iones), así como por la electroforesis (movimiento de partículas cargadas y/o coloides). El TEC se ve afectado por las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, así como por el tipo y concentración del contaminante específico o los nutrientes presentes (figura 1).123

FIGURA 1. Representación de una celda electroquímica para desarrollar el tratamiento electrocinético de suelo, constituida por un ánodo, un cátodo y una fuente de poder, con los diferentes fenómenos de transporte como electromigración, electroósmosis y electroforesis, así como la electrólisis del agua con la generación de protones (+) e hidroxilos (-)

El TEC es considerado como una tecnología prometedora para la remoción de contaminantes orgánicos e inorgánicos, ante dificultades como suelos de baja permeabilidad y heterogéneos, donde otras tecnologías biológicas y físico-químicas han sido ineficientes o
ineficaces.3, 4
     Los costos asociados a la aplicación del TEC en campo dependen de factores como: la cantidad de suelo por remediar,  conductividad eléctrica e hidráulica del suelo, el tipo de contaminante y de construcción de los electrodos, la distancia entre electrodos y el diseño empleado. No obstante, el factor con un mayor impacto es el consumo de energía eléctrica, aunque, al aplicar corriente directa de baja intensidad, es posible emplear acumuladores recargables por celdas fotoeléctricas, a fin de disminuir los costos de la energía utilizada.4
     Con estos antecedentes, desde hace siete años, en el Cideteq se desarrolla el TEC de suelos contaminados con compuestos orgánicos e inorgánicos, y se ha logrado una eficiencia de remoción de contaminantes superior a 80%, en menos de ocho horas; lo que puede llevarse a cabo in situ (figura 2A)5 o ex situ (figura 2B).5, 6
     Como resultado del estudio de este tratamiento, se ha encontrado el mejor acomodo o arreglo de electrodos 2D (figura 2A), el cual consiste en seis ánodos cilíndricos modificados con óxidos de metales de transición que rodean a un cátodo central de Ti, los cuales son separados por un compartimento para la recolección del contaminante removido del suelo en solución y el consecuente tratamiento de las aguas residuales del TEC, mediante procesos de oxidación avanzada (POA).3

FIGURA 2. Representación del tratamiento electrocinético (TEC) de 1 m3 de suelo contaminado con hidrocarburo, empleando una configuración 2D de electrodos, y su posterior tratamiento de las aguas residuales del TEC, mediante procesos de oxidación avanzada (POA)

Se considera que la ecotoxicología es el estudio de la contaminación, tanto de origen como de efecto sobre seres vivos y ecosistemas. Dentro de los efectos que se evalúan, se encuentran: crecimiento, reproducción y mortalidad de las especies en el ecosistema, pudiéndose aplicar pruebas en laboratorio o en campo. Los métodos ecotoxicológicos que emplean bioindicadores a través de bioensayos resultan adecuados para el seguimiento de procesos de remediación, debido a la información directa generada a partir del efecto en los diferentes niveles ecológicos (proceso microbiológico con biomasa microbiana, especie del reino animal con lombrices y especie del reino vegetal por inhibición de germinación de semillas) sobre la presencia o no, de los contaminantes en matrices sólidas.7



     En este sentido, una vez que se efectuó el TEC de suelo contaminado con hidrocarburo a nivel laboratorio, especies de importancia económica (ornamental o de cultivo) y ecológica (nativas) fueron empleadas para comparar la germinación negativa de semillas de frijol, trigo y maíz que no crecieron en suelo contaminado con hidrocarburos de fracción intermedia y pesada (figura 3A) con la germinación positiva de semillas que crecieron en suelo limpio —ausencia de hidrocarburos (figura 3B)— y, en mayor proporción, en el suelo sometido a un TEC (figura 3C), en el cual germinaron las tres semillas por la remoción electroquímica del contaminante.7, 8
     Posteriormente, cuando se efectuó el TEC in situ de 1 m3 de suelo contaminado con hidrocarburo, empleando el arreglo de electrodos 2D (figura 2A), fueron recolectadas muestras representativas, en las cuales se evaluó su potencial catabólico microbiano, empleando arreglos comerciales (Biolog EcoPlateTM); además, se estimó la naturaleza de los cambios de los perfiles fisiológicos: porcentaje del carbón total, cantidad de deshidrogenasas en suelo, actividad respiratoria, concentración de ADN, además del conteo del número total de colonias de bacterias y hongos. 
     Lo interesante, al observar estas características, fue que, en la zona con más de 80% de remoción de hidrocarburos por el TEC —en la zona entre los ánodos y cátodos—, después de 7.5 horas de tratamiento, se presentó la mayor distribución de nutrientes y el incremento en la cantidad del número total de colonias formadoras de bacterias (figura 3D) y hongos (figura 3E).9

FIGURA 3. Germinación de frijol, trigo y maíz en suelo contaminado con hidrocarburos (A), limpio (B) y electrorremediado (C); así como el número total de colonias formadoras de bacterias (D) y hongos (E) después del TEC

Conclusiones   

El análisis biológico de las muestras de suelo tratado electrocinéticamente, para remover más de 80% de hidrocarburos de fracción intermedia y pesada a nivel laboratorio e in situ, empleando un arreglo de electrodos 2D, de manera circular, demostró el incremento del número total de colonias formadoras de bacterias y hongos por la mejor distribución de nutrientes en el suelo, lo cual promueve mayor germinación de frijol, trigo y maíz que en el suelo limpio. Estos resultados demuestran que en el Cideteq estamos efectuando la rehabilitación electroquímica de suelo para la eliminación de contaminantes y la redistribución de nutrientes para el desarrollo de organismos vivos.

Agradezco a todos los estudiantes de verano, estadías profesionales, técnicos superiores universitarios, licenciatura, maestría, doctorado y posdoctorado que han participado, en menor o mayor medida, en las diferentes actividades de investigación, durante los siete años que hemos desarrollado el tratamiento electrocinético en el Cideteq, así como a todos los colaboradores nacionales e internacionales que han aportado sus conocimientos para el mejor desarrollo de este tipo de proyectos, para beneficio del país y del mundo. Asimismo, quiero agradecer a todo el personal de comunicación, divulgación, difusión, recursos materiales, humanos, financieros, servicios tecnológicos, transferencia tecnológica, ingeniería, posgrado e investigación del Cideteq por su apoyo invaluable para lograr el desarrollo de esta línea de investigación durante estos siete años. Finalmente, quiero agradecer el financiamiento que siempre nos ha aportado el Conacyt, mediante los proyectos de investigación de Ciencia Básica, FOMIX – Veracruz y FINNOVA, así como a la Secretaría de Relaciones Exteriores por el proyecto Bilateral México - Hungría.

Erika Bustos Bustos

La Doctora Erika Bustos Bustos es Investigadora Nacional (II) y Profesora Investigadora Ingeniera Titular “C”, en la Subdirección de Investigación y Posgrado, de la Dirección de Ciencia, en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (Cideteq, S. C.), donde desarrolla el tratamiento electrocinético de matrices sólidas y líquidas contaminadas con compuestos orgánicos e inorgánicos, así como el diseño, construcción, caracterización y aplicación de superficies modificadas para la transformación y detección de moléculas con importancia ambiental en diferentes matrices.

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