Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Químico / El arsénico (As) es un elemento traza abundante en ciertos lugares del mundo, en particular en las zonas cercanas a la Cordillera de los Andes como lo es el norte de Chile, donde la disolución del As se ve favorecida debido a las condiciones ambientales en este entorno volcánico. El arsénico presente en aguas subterráneas se mezcla con la alimentación de acuíferos a través del hielo derretido proveniente de los Andes, la cual es utilizada directamente como suministro de agua. Se estima que 1.8 de millones de personas en Chile están actualmente viviendo en áreas endémicas de arsénico, muchas de las cuales viven en zonas rurales, sin plantas de tratamiento de agua, por lo que el agua contaminada es ingerida regularmente. El objetivo principal de este trabajo consistió en estudiar el comportamiento del compósito Zeolita/nZVI (nanopartículas de hierro cero valente, por sus siglas en inglés) encapsulado por esferas de Alginato en sistemas batch y de columna continua en la remoción de arsenato en solución acuosa, para su aplicación como material para el diseño de un filtro de bajo costo. Se logró sintetizar de forma exitosa este material, el cual mostró una mayor velocidad y capacidad de sorción de arsenato (80,00 mg·g-1) que el material Z50 prístino (67,64 mg·g-1), posiblemente por el efecto de la matriz de Alginato en la estabilización del material Z50 y a la interacción entre el Alginato y arsenato. Por su parte, se comprobó que el Alginato cumple un rol importante en la cinética de sorción del As(V), aumentando el tiempo necesario para llegar al equilibrio debido a que el analito debe atravesar una nueva barrera difusiva proveniente de la estructura porosa del Alginato. Se estableció que la modificación en la síntesis del material de variables como catión gelificante, tiempo de gelificación, diámetro de las esferas y carga de Z50 en las esferas, son críticas en el proceso de sorción de arsenato. En particular, se concluyó que los valores óptimos para dichas variables fueron el uso de ZnCl2 como solución gelificante, un tiempo de residencia en la solución gelificante de 3 horas, una relación másica de Z50/Na-Alginato de 2:1 y un diámetro promedio de las esferas de 2,0 ± 0,3 milímetros. Finalmente, se verificó que el material Zn-Alg/Z50, cuyas variables de síntesis corresponden a las variables óptimas obtenidas, es capaz de remover arsenato tanto en sistemas batch como de columna continuos. En particular, se concluyó que la respuesta del material en un sistema de columna continuo indica la existencia de múltiples zonas de equilibrio, posiblemente debido a cambios en las etapas que limitan los procesos de transferencia de masa y difusión en el material. Estos resultados podrían tener un alto interés en la aplicación del material Zn-Alg/Z50 en sistemas ambientales de remoción continua de arsenato, como lo son las Barreras Reactivas Permeables, columnas industriales de tratamiento de agua y filtros de uso doméstico, no solo por sus mayores capacidades y velocidad de sorción, sino que también por la reducción de costos asociada a la síntesis del material. / FONDEF N° 17I10302 y CEDENNA FB0807

Ingeniera Civil Química. Ingeniera Civil en Biotecnología / La minería en Chile es una actividad clave para el desarrollo del país y actualmente se enfrenta a problemáticas relacionadas a la presencia de elementos contaminantes en sus efluentes que son altamente tóxicos como el arsénico. Las normativas medioambientales existentes, el riesgo para las especies pertenecientes al ecosistema, incluyendo la salud humana, y la penalización en mercados internacionales por la presencia de arsénico en concentrados de cobre exportados, han derivado en la necesidad de desarrollar tecnologías para la recuperación de metales que sean amigables con el medioambiente y económicamente rentables. EcoMetales es una filial de Codelco cuyo objetivo es dar solución a estos problemas y para ello cuenta con su Planta de Abatimiento de Arsénico y Antimonio en la cual utilizan peróxido de hidrógeno para oxidar el arsénico presente en los efluentes de la división Chuquicamata de Codelco. Este elemento oxidado posteriormente precipita en forma de escorodita y es almacenado en depósitos de la empresa. Sin embargo, este proceso posee un alto costo y el peróxido de hidrógeno corresponde al 50% de los gastos asociados a insumos. Además, el nuevo escenario normativo que entra en vigor en 2018 sumado al aumento en las impurezas debido al envejecimiento de los yacimientos pronostican un alza en los costos. Debido a esto EcoMetales ha encargado al ICDB y al CeBiB desarrollar un proyecto para reemplazar el uso de peróxido por microorganismos que oxiden el arsénico. En el marco de este proyecto se encuentra el trabajo desarrollado en esta memoria que consiste en el estudio, dimensionamiento y diseño del biorreactor en el cual se llevará a cabo la oxidación biológica de arsénico junto con la determinación del punto de incorporación y la estimación del CAPEX. La metodología de trabajo consiste en una etapa de investigación bibliográfica, seguida por el diseño y dimensionamiento del sistema para finalmente estimar el CAPEX y realizar un análisis de sensibilidad. Los resultados principales indican que el microorganismo a utilizar es Acidithiobacillus ferroxidans y que se necesitarán dos biorreactores cuyos volúmenes son 51 [m3] y 304 [m3] para reducir el contenido de As+3 de 4 [g⁄L] a 0,002 [g⁄L]. El costo de inversión se estima de US$713.000 y el análisis arroja que el proyecto es altamente sensible a la cinética de crecimiento del microorganismo, mientras que se ve levemente afectado por las variaciones en el contenido de arsénico y presenta una mayor influencia a los cambios en la concentración de hierro. Finalmente, se concluye que el proyecto sería técnica y económicamente factible según el costo de inversión calculado y las dimensiones obtenidas, pero es necesario realizar la estimación de los costos de operación y el balance del flujo de caja para tener mayor seguridad de este resultado.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / 26/06/2021

Memoria para optar al título profesional de Ingeniera en Recursos Naturales Renovables / Los sitios potencialmente contaminados en Chile han constituido un problema que crece en conjunto con la industrialización del país, y particularmente en el sector minero nacional. Hoy en día, algunas de estas faenas mineras se encuentran en estado de abandono quedando a merced de las condiciones del medio ambiente que las rodea y pudiendo ser un foco de contaminación para la población. En la presente investigación se desarrolló el método utilizado por el Ministerio del Medio Ambiente para la evaluación de sitios con potencial presencia de contaminantes, enfocándose específicamente en los pasivos ambientales mineros presentes en la Región Metropolitana de Santiago. Para ello se contó con información del Servicio Nacional de Geología y Minería, el cual mediante un catastro, describía la ubicación y nombres de las faenas mineras abandonadas y/o paralizadas. La información disponible fue clasificada y evaluada de acuerdo a criterios previos aprobados por el Ministerio. Se obtuvo un total de 20 pasivos mineros ordenados en un ranking según su potencial peligro, de acuerdo a factores relacionados con las fuentes, rutas y receptores asociadas a cada sitio en específico. La jerarquización arrojó como resultado que la Faena Minera Refimet, con sus depósitos arsenicales en la localidad de Rungue en Tiltil, resultó tener un 72% de jerarquía, conformándose como aquella con la mayor relevancia, y por tanto, aquella que debía ser investigada más a fondo. De la revisión de cuatro estudios realizados en el lugar respecto de la situación de la contaminación que había en sus aguas subterráneas, no fue posible determinar el origen exacto de dicha contaminación, puesto que además de los tranques con residuos arsenicales del sector de estudio, se encuentra la Formación Las Chilcas cuyo contenido rico en arsénico podría ser una fuente adicional de contaminación de las aguas subterráneas.

Tesis para optar al grado de Doctora en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ciencia de los Materiales / La contaminación del agua por arsénico (As) es un problema grave en los países en desarrollo. En agua contaminadas de forma natural con As, están presentes dos tipos de especies As (V) y As (III), siendo la última la más tóxica. En este trabajo, se preparó un innovador adsorbente basado en nanopartículas de CaTiO3 (CTO) mediante la técnica sol-gel para la eliminación de As (III) de soluciones acuosas. Esta forma de abatimiento de As es importante ya que permite simultáneamente adsorber y oxidar el As(III), sobre las perovskitas mediante procesos fotocatalíticos hasta con radiación visible. En tal sentido, con el presente trabajo se pretende estudiar las propiedades estructurales, ópticas y fotocatalíticas de nanopartículas de CaTiO3 y CaCu3Ti4O12, puras y dopadas. La tesis presentada está dividida en tres etapas, en la primera etapa se determinaron los parámetros de síntesis y la ruta de obtención de perovskitas puras y dopadas. Se propusieron dos métodos de síntesis sol-gel e hidrotermal. Con el método sol-gel, la introducción del agente reticulante en la síntesis, inhibió el crecimiento de los cristalitos de las perovskitas y en base a los resultados de la estructura cristalina y resultados calorimétricos, se logró obtener perovskitas a nivel nanométrico. El área superficial de las perovskitas fue afectada negativamente por los dopantes. En el caso de la síntesis hidrotermal, se estudió la influencia del tipo y concentración del mineralizador, temperatura y tiempo de reacción, para el caso de CaTiO3 se lograron partículas de forma poliédrica y tamaño entre 1 a 9 µm, para la obtención del CaCu3Ti4O12 por este método es necesario adicionar un proceso de calcinación para la obtención de la fase esperada, lo que implicó en el aumento del tamaño de partícula. En la segunda etapa, se evaluó el comportamiento en la remoción de As del agua con las perovskitas, destacando en eficiencia a la remoción de As el CaTiO3 sobre todas las perovskitas, mediante modelos matemáticos siguen un comportamiento de pseudo segundo orden, que resultó en un ajuste para la muestra a pH 3 fue de 0,99, alcanzando una capacidad máxima de adsorción de 11,12 mgg-1. Se demostró, que la coexistencia de otros iones no afecta considerablemente la remoción de As, también que la perovskita CaTiO3 puede reutilizarse hasta en cuatro ciclos de adsorción/desorción y en que en condiciones ácidas y básicas está perovskita mantiene su fase mineralógica. Se verificó que el As(III) está adsorbido en la superficie del CaTiO3 mediante XPS. En la tercera etapa se estudió en comportamiento fotocatalítico de las perovskitas puras y dopadas, sobre la oxidación de As(III) y la generación de As(V). Se demostró que al incrementar el dopaje en el CaTiO3 disminuye la brecha de energía prohibida. Se logró oxidar As(III) a As(V) hasta 55%, utilizando radiación UV con nanopartículas de CaTiO3 y con radiación visible se logró generar 40% de As(V) mediante CTO dopadas con 10% de Cu. Se evidenció que, en la superficie de las perovskitas fotocatalizadas están presentes las especies de As(III) y As(V), sin formar nuevos enlaces de ligadura, lo que indicaría que el As está fisisorbido en el CaTiO3.