Ingeniero Civil Químico / En el próximo siglo la falta de agua se hará presente en todo el mundo, provocado principalmente por un incremento en el consumo por parte de la agricultura, la industria y la producción de energía; causando un efecto dominó que incrementará los efluentes no tratados y acrecentando el riesgo de polución de las reservas de agua, lo que generará una mayor escasez de este recurso. Debido a lo anterior, se hace necesario elaborar nuevos materiales multifuncionales que puedan tratar el agua, evitando que la contaminación por microorganismos, orgánicos, iones de metales pesados, entre otros siga, aumentando. Un componente utilizado en estos nuevos materiales es el óxido de grafeno (GO), debido a sus buenos resultados en esta área. El objetivo de este trabajo es preparar y caracterizar papel de GO y papel de GO con quitosano (CS) y estudiar sus estructuras, capacidades de adsorción de un contaminante soluble (azul de metileno, MB) y efecto antimicrobiano contra dos bacterias (E. coli y S. aureus). Para ello, se sintetiza GO mediante una modificación del método de Hummers y se preparan los papeles. La caracterización se realiza por los métodos de XRD, FTIR, espectroscopia Raman, SEM y EDS. Finalmente, se comparan las propiedades de adsorción y antimicrobianas. Como resultado se logró preparar un papel de GO y uno híbrido, y a través de las caracterizaciones se observó que: tienen una estructura laminada ordenada y que el CS permea el acoplamiento de hojas de GO, uniéndose por medio de enlaces de hidrógeno, principalmente. Estas láminas poseen una capacidad máxima de adsorción del pigmento (q_m) de 370,4 y 103,1 [mg/g], respectivamente. Por otro lado, la reducción de colonias de E. coli a causa del contacto de estas con el papel de GO y el híbrido fue de 22±5 y 30±2 [%], respecto al control. Por otro parte, para S. aureus los valores fueron 56±2 y 53±5 [%]. Para las dos bacterias existieron diferencias significativas de los papeles respecto al control (sin material antimicrobiano), pero no entre ellos. Se concluye que se pudieron desarrollar dos métodos simples para preparar papeles de GO y de GO/CS, los que pueden adsorber colorantes y tiene propiedades antimicrobianas. Sobre la primera función, el papel híbrido posee una capacidad de adsorción máxima menor de MB porque tiene menos GO por [mg] de material y por la protonación de grupos anima del CS, que repelen al colorante. Por otro lado, en el ensayo de microbiología se utilizaron láminas cuadradas de 1 [cm^2], con las que el papel híbrido tuvo un [%] mayor o similar de reducción de colonias que el papel de GO, a pesar de que estos últimos tuviesen una masa ~40 [%] mayor que la de los de GO/CS. Como proyección, se podría utilizar grafito de láminas más grandes para comprobar si este facilita la preparación de láminas de papel de mayor tamaño.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / 08/10/2020

Ingeniero Civil Químico / Actualmente existen graves problemas debido a deficiencias de acceso del agua tanto para la población como su uso industrial. Asegurar la disponibilidad de agua de buena calidad es menester, por lo que se deben generar nuevas opciones para el tratamiento de efluentes y recuperación de agua. Recientemente se ha entregado relevancia al uso de óxidos de grafeno (GO) en procesos de tratamiento de agua, debido a su capacidad de modificar fácilmente las propiedades estructurales y fisicoquímicas de éste. Este trabajo de título tiene como principal objetivo comparar la capacidad de dos óxidos de grafeno con diferente grado de oxidación sobre la remoción de contaminantes solubles y particulados con diferente carga. Para llevar a cabo el trabajo se sintetizan dos GO y se caracterizaron mediante XRD, FTIR y potencial Z. Se obtienen GO con diferente presencia de grupos funcionales y valores de potencial Z, lo que se traduce como diferentes grados de oxidación. Se define GOA como GO de alto grado de oxidación y GOB como GO de bajo grado de oxidación. La capacidad máxima de adsorción azul de metileno (catiónico) es de 476,2 mg/g para GOA y 312,5 mg/g para GOB, lo que se traduce en un incremento de 52% entre GOA y GOB. En cuanto al naranjo de metilo (aniónico) la capacidad de adsorción es de 105,3 mg/g para GOA mientras que para GOB fue de 263,2 mg/g, siendo en este caso la capacidad de GOB un 150% mayor que GOA. Se realiza la remoción de goethita (carga positiva a pH 4,5) obteniéndose transmitancias de hasta 81% al utilizar GOA, mientras que para GOB el valor es de 33%. En ambos casos la floculación se genera mediante neutralización de carga. En cuanto a la arcilla caolín (carga negativa a pH 7,0) se realiza la floculación con GOA aumentándose la transmitancia hasta un 17% con respecto al sistema original mediante puentes de hidrógeno. Al utilizar GOB no se generan interacciones entre arcilla y óxido de grafeno, por lo que no se promueve la sedimentación. Como principal conclusión se obtiene que un aumento del grado de oxidación del óxido de grafeno significa en un incremento en la capacidad de remoción de contaminantes catiónicos solubles y particulados. Por otra parte, el aumento posee un efecto negativo con respecto a los contaminantes aniónicos solubles, mientras que para los contaminantes particulados el efecto es positivo debido a la mayor presencia de grupos carboxilo.

El tratamiento de aguas servidas, cada vez mayor en nuestro país, genera como resultado del proceso de saneamiento de las aguas realizado en las plantas, dos productos principales: agua tratada, y lodo tratado biológicamente, en adelante “BIOSOLIDO”, que resulta de la separación y tratamiento del componente sólido del líquido, en el proceso de depuración de las aguas servidas. Del total de las aguas servidas generadas en la cuenca de Santiago, actualmente se trata el 68%. Con el inicio de la operación del proyecto Mapocho Urbano Limpio, éstas aumentarán a 81%. Con el proyecto “Planta Mapocho” (actualmente en trámite en el Sistema de Impacto Ambiental) este porcentaje aumentará a 100%. Se proyecta que para el año 2009 la producción de Biosólidos será de 236.808 toneladas en el año (con 25% de sequedad). A pesar de que hay nuevos proyectos para la disposición de biosólidos en monorellenos, una instalación dispuesta únicamente para este fin, sus características orgánicas y químicas permitirían su reutilización, evitando así el costo que significa para la empresa sanitaria su transporte y disposición final, y otorgándole un valor económico a este material, por lo tanto, esto tendría un impacto positivo en las tarifas de agua para los consumidores de la región (menor precio). Este será el objetivo de nuestro estudio, ver las alternativas de uso y disposición de biosólidos, y cómo estas alternativas impactan las tarifas de agua reguladas. Antes de adentrarse en los usos, es importante detenerse en el proceso de tratamiento de aguas y también en factores como los aspectos legales, donde existen versiones propuestas en forma preliminar, que se encuentran en estado de borrador o en consulta pública, y los impactos medioambientales que tiene la disposición de estos biosólidos en monorelleno. Hecho esto, se analizaron distintas opciones para el reuso de los biosólidos. En primer lugar se estudió un proceso de secado térmico completo de manera de conseguir mejores cualidades en el material. Este proceso no fue considerado para las opciones, debido al proyecto “Centro de Gestión Integral de Biosólidos - El Rutal”, donde se propone realizar un secado solar con compostaje y biosecado ó secado biológico para todos los biosólidos. Luego se analizaron el uso como fertilizante agrícola y forestal, su incineración y co-incineración para la generación de electricidad y por último su utilización como materia prima para la construcción de ladrillos cerámicos para la construcción. Se estudiaron las opciones de manera técnica y luego se evaluaron mediante un análisis financiero, donde se concluye que efectivamente existen oportunidades de reutilización para los biosólidos, y que éstas serían rentables tanto para la empresa sanitaria que podría cobrar un precio por ellos, como para las empresas que los utilicen, que generarán ahorros en sus costos.

Doctor en Ingeniería Eléctrica / En la actualidad existen industrias (petroquímicas, farmacéuticas) cuyos residuos líquidos contienen elevadas concentraciones de nitrógeno. Una alternativa altamente utilizada es la Remoción Biológica de Nitrógeno en Sequencing Batch Reactors. Esta técnica ofrece como ventajas alta eficiencia de conversión y consumo reducido de productos químicos. Como desventaja posee los gastos operacionales inherentes del proceso, como por ejemplo: gastos energéticos y costos asociados a la eliminación de biomasa. Gran parte de las investigaciones que buscan optimizar la eficiencia de la Remoción Biológica de Nitrógeno, se centran en la fase de nitrificación (fase aeróbica), por ser la encargada de la conversión de productos que son utilizados posteriormente en la desnitrificación. Dentro de estas investigaciones se cuentan el uso de modelos fenomenológicos, estimación de estados, estimación del término de fase aeróbica y la estrategia denominada nitrificación parcial, que destaca por sus alcances en reducción de costos y tiempos de operación del reactor. A pesar de que existe un gran número de investigaciones, todavía existen brechas importantes que acortar, y una de esas representa la falta de una integración de estrategias , en la cual, estrategias tales como estimación del término de fase aeróbica, permitan potenciar y mantener una nitrificación parcial estable en el largo plazo. En el presente trabajo de Tesis se propone la elaboración de estrategias de estimación y pronóstico del término de la fase aeróbica para el proceso de Remoción Biológica de Nitrógeno en un Sequencing Batch Reactor, con el fin de aumentar la eficiencia del proceso y reducir sus costos. En primer lugar y mediante simulación, se analiza la influencia de la duración de la fase aeróbica sobre la eficiencia global del proceso de Remoción Biológica de Nitrógeno operado bajo nitrificación parcial. En segundo lugar, se proponen y desarrollan dos tipos de enfoques que aportan con la estimación del término de la fase aeróbica. El primero es un enfoque basado en extracción de características y clasificadores Support Vector Machines. En cambio, el segundo es un enfoque basado en Filtro de Partículas para estimar la concentración de amonio en el reactor y posteriormente pronosticar el término de la fase aeróbica. Los resultados de simulación refuerzan la idea de incorporar herramientas que estimen el término de la fase aeróbica de manera precisa, para así lograr una reducción de los costos y de los tiempos de operación de manera estable en el largo plazo. En cuanto a los enfoques propuestos, su entrenamiento, verificación y posterior validación fueron realizados utilizando datos experimentales provenientes de un reactor secuencial batch a escala piloto.

TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN ADMINISTRACIÓN / Oscar López Fajardo [Parte I], Víctor González Ramírez [Parte II] / Este Plan de Negocios muestra una nueva alternativa, ecológica y sustentable, en el mercado del agua embotellada. Actualmente cada vez que alguien compra agua purificada o mineral en la vía pública debe necesariamente adquirir una botella plástica. Este es un grave problema medioambiental, se espera que para el año 2050 en el océano haya más botellas plásticas que peces. Por otra parte la primera encuesta nacional de comportamiento medioambiental mostró que el 75% de los chilenos tiene una preocupación real por el cuidado del medioambiente. Eco Agua es una solución para ese 75% de la población, la empresa vende suscripciones mensuales para obtener agua purificada a granel en la vía pública a través de máquinas purificadoras/expendedoras que se conectan a la red de agua potable y funcionan con tarjetas magnéticas. Esta innovación permite a las personas con alta conciencia ambiental adquirir agua purificada sin tener que comprar una botella plástica, disminuyendo el impacto ambiental de su decisión de compra. Para iniciar el negocio se requiere de una inversión inicial de 201 millones de pesos. La evaluación del proyecto en un horizonte de 5 años, con una tasa de descuento del 15,8%, entrega un VAN de 242 millones de pesos, con una TIR de 43,2%. Los buenos indicadores financieros del proyecto, sumado al beneficioso impacto ambiental hacen de Eco Agua una oportunidad de negocio apreciada tanto por inversionistas como por consumidores

Ingeniero Civil Químico / Solarsenic es un proyecto capaz de remover y foto-oxidar el arsénico del agua. Sin embargo, este proyecto aún no aborda cómo disponer del residuo que genera. En esta tesis se busca dar respuesta a esta inquietud, para ello propone definir un protocolo optimizado de estabilización y solidificación de residuos arsenicales líquidos que cumplan con el D.90, D.46 y D.S. 148. La propuesta consta de dos etapas, en la primera se toma una imitación del residuo de Solarsenic, 25[ppm] de As y 0.5[M] de NaOH, y se somete a una coagulación/floculación con el objetivo de obtener un concentrado. En el proceso en el cual se evalúa el uso de dos candidatos, el sulfato de hierro y la cal viva. Además, se determinan las condiciones de operación óptimas para el proceso, tiempo de agitación, velocidad de agitación, tiempo de decantación, pH y razón molar en cada caso. El concentrado generado entra en una segunda etapa, un proceso de estabilización/solidificación, en el cual se utiliza cemento, cal y arena para formar una matriz que impida que el arsénico lixivie. En esta sección, se analiza la composición de la matriz y el efecto que tiene cada componente en el encapsulamiento. Para medir el arsénico de sólidos y líquidos, se elaboró un mecanismo de medición indirecto el cual crea un complejo con el arsénico capaz de adsorber rayos UV a 890[nm]. Ambos candidatos de la coagulación/floculación lograr remover más del 97% de arsénico del residuo y dejarlo en un concentrado, sin embargo, el tratamiento que utiliza hierro alcanza una mejor remoción y formar un compuesto estable en el tiempo, situación que no se observa con la cal. En la etapa de estabilización/solidificación, todas recetas de las matrices propuestas alcanzan excelentes resultados, ninguna se considerada como tóxica o peligrosa bajo los decretos antes señalados. Utilizando las técnicas descritas, es posible disponer del residuo en forma segura, sin la necesidad de que vaya a un relleno sanitario, por otro lado, esta tecnología queda propuesta para hacer mejoras en otros tipos de labores, tales como la construcción.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En Chile, el tratamiento de aguas servidas se está llevando a cabo desde el año 2001 de forma considerable, pasando en la Región Metropolitana de 35% a 80% de aguas servidas tratadas, entre el año 2001 y el 2006. El aumento en el tratamiento trae aparejado un incremento en la generación de biosólidos el que se duplicaría desde hoy al año 2010. Actualmente, no existe una gestión de biosólidos que permita dar sustentabilidad al tratamiento de aguas servidas, trasladándose éstos a monorrelleno o relleno sanitario, con el problema ambiental que esto tiene, como la disminución de vida útil de los actuales sitios en operación y la búsqueda de sitios aptos para la operación de nuevos monorrellenos y rellenos sanitarios. Es por esto, que resulta necesario tener conocimiento sobre que opciones de uso y disposición de biosólidos se encuentran disponibles en la Región Metropolitana, y que cantidad de éstos se podría destinar a dichas opciones. Para esto se realizó análisis de cada opción posible , superficie disponible en cada una y una evaluación para identificar los mejores sitios en cada opción de uso de biosólidos, a través de un análisis multicriterio. Las opciones de uso de biosólidos con mayor viabilidad, actualmente, en la Región Metropolitana son: uso agrícola, uso en plantaciones forestales, rehabilitación de tranque de relaves, rehabilitación de extracción de áridos y plan de cierre de rellenos sanitarios. Quedan como opciones de disposición el relleno sanitario y el monorrelleno, donde se debieran destinar los biosólidos que no puedan ser destinados a las opciones de uso. El uso agrícola al año 2007 podría recibir el 18% de la producción de biosólidos, al año 2010 esta capacidad se reduciría 11,9%. En cuanto al uso en plantaciones forestales, esta tendría capacidad para acoger 1,2% de la producción del año 2007 y 0,8% para el año 2010. La rehabilitación de tranque de relaves para el año 2007 podrá recibir 3,4% de la producción de biosólidos y para el año 2010 2,2% de ésta. El uso de biosólidos en rehabilitación de extracción de áridos, tiene un potencial de acogida de 6% de la producción del año 2007 y de 3,9% para el año 2010. Por último el uso de biosólidos en plan de cierre de rellenos sanitarios, podría recibir 3,7% de la producción estimada para el año 2007 y 2,4% de la producción estimada para el año 2010. Para el año 2007 se podría destinar a opciones de uso de biosólidos 32,4% de la producción estimada, lo que para el año 2017 sería de 19,2%, esto indica que se destinaría a monorrelleno y codisposición en relleno sanitario 67,6% en el 2007 y 80,8% para el 2010. / In Chile, the treatment of waste water has been increasing since 2001, going from 35% of treated waste water in the Metropolitan Region in 2001, to 80% in 2006. The increase in water treatment brings with it an increase in the generation of biosolids, which at this rate, would double by the year 2010. At the moment, there’s no biosolid management strategy that allows the waste water treatment to be feasible, thus transferring these biosolids to landfills or sanitary fillings, with the environmental problem this brings with it, like the decrease in the lifetime of operating sites and the search for new places suited for the operation of landfills and sanitary fillings. This is why more knowledge about different alternatives for the use and disposal of biosolids available in the Metropolitan Region is necessary, and the amount of biosolids that could be destined to these places. For this reason, each of the possible biosolids’ use and disposal alternatives was analyzed, taking into account available surface for each one of them, and an evaluation to identify the best place to implement them. Currently, the best alternatives for the use of biosolids in the Metropolitan Region are: Agricultural use, use in forest plantation, rehabilitation of deposit of relaves and extraction of barren, and closing plan of sanitary fillings. For biosolids that can’t be destined to any of the alternatives mentioned above, Sanitary fillings and monofill are left as the only viable options. The agricultural use in 2007 could reach 18% of the producion of biosolids, which would decrease to 11,8% by the year 2010. For the forest plantations, it could receive 1,2% of the biosolids production in 2007 and 0,8% by 2010. The rehabilitation of deposit of relaves and extraction of barren could reach 3,4% and 6% for 2007 and 2,2% and 3.9% for 2010 respectively. Finally, the use of biosolids in the closing plan of sanitary fillings could get 3.7% of the estimated production for 2007 and 2,4% of the estimated production for the year 2010. For the year 2007, 32,4% of the estimated production of biosolids could be destined to the aforementioned alternatives, which would mean that for 2017 it could reach 19,2%. This indicates that for the year 2007, 67,6% of the estimated production would be destined to monofill and co-disposition in sanitary fillings, which would increase to 80,8% by the year 2010.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / Hoy en día se ha hecho énfasis en el tratamiento de elementos y compuestos nocivos para la salud humana, como lo es el sulfato, arsénico entre otros. Otro metal pesado de interés el tratamiento de aguas es el manganeso, segundo metal pesado más abundante en el planeta, polivalente, cuya química compleja puede provocar que este metal no disminuya su concentración en aguas tratadas, provocando un impacto ambiental grave tanto para la flora y fauna (Schuster, 2017) y los seres humanos (Lucchini et al., 2009). Cabe mencionar que la norma chilena de calidad y muestreo de agua potable NCh 409 muestra que la concentración de manganeso en el agua de descarte no debe exceder 0.1 mg/L en solución. El objetivo principal de este trabajo es determinar la factibilidad técnico-económica con énfasis en la evaluación de capacidad de adsorción máxima y cinética de adsorción de manganeso (II) disuelto desde soluciones acuosas, utilizando procesos de adsorción, con la adición de sustratos eficientes y de bajo costo. Para el desarrollo del trabajo se eligió la tecnología de adsorción, por sobre otros procesos, como precipitación, osmosis reverse entre otros, debido a su bajo costo de implementación y operación. Por otro lado, se seleccionaron como como sustratos de estudio, las zeolitas, fly ash y oxi-hidróxidos férricos, por su eficiencia en la remoción de metales pesados en aguas residuales bajo procesos de adsorción. Se realizaron experimentos de adsorción de manganeso (II) termodinámico y cinético, durante 90 min, bajo concentraciones del metal de 100 mg/L, 50 mg/L ,25 mg/L y 10 mg/L. Se utilizó un porcentaje de solido en peso de 20% como condición base de trabajo, a un pH 7 y temperatura ambiente de 25ºC. Los resultados de capacidad de adsorción máxima muestran que el mejor sustrato utilizado para las diferentes concentraciones iniciales de manganeso (II), fue la zeolita seguido por el fly ash y por último el oxi-hidróxido férrico, con 0.247 mg/g, 0.247 mg/g y 0.239 mg/g respectivamente. En la evaluación técnico-económica, la implementación del uso de zeolitas posee el menor costo total asociado, siendo un 0.8% menor comparado al uso de fly ash y un 18% menor que el uso de oxi-hidróxidos férricos. Con un costo total para 10 toneladas de 35,200 US$, 35,500 US$ y 40,115 US$ respectivamente. Se concluye que, bajo el escenario anterior, el mejor sustrato para el tratamiento de Mn son las zeolitas, debido a que entregan un resultado por debajo de la norma NCh 409 y además es de fácil acceso y disponibilidad en todo el territorio nacional.

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.