Lixiviación: un enfoque ambiental

La lixiviación (o extracción sólido-líquido) consiste en la disolución preferente de uno o mas componentes de una mezcla sólida por contacto con un disolvente. La lixiviación es una operación unitaria de gran utilidad a nivel industrial. Sus aplicaciones mas difundidas se encuentran en la industria alimentaria y minera: en la extracción de aceites vegetales, café, colorantes y metales, entre otros (10) (12).

En el área ambiental, los procesos de lixiviación son de gran importancia, sin embargo, las implicaciones ambientales pocas veces son abordadas con profundidad en los libros de operaciones unitarias y fenómenos de transporte. A diferencia de las aplicaciones listadas en el párrafo anterior, donde la lixiviación se emplea como una operación unitaria para separar algún compuesto de interés comercial, en el área ambiental, los productos de la extracción sólido - líquido no suelen representar un beneficio económico, por el contrario, en algunos casos es un fenómeno indeseable (5) (12).

Todos los procesos industriales que involucran operaciones de lixiviación tienen implicaciones ambientales, ya que en la mayoría se emplean disolventes (orgánicos e inorgánicos) áltamente tóxicos y contaminantes, y en otros casos, el proceso esta ligado a la explotación de recursos naturales. Estos hechos impactan al ambiente como todas las demás actividades antropogénicas y son inherentes al proceso. El presente texto se enfoca en aquellas implicaciones ambientales en las que la lixiviación participa directamente (5) (7).

Como se mencionó en lineas anteriores, en términos ambientales, la lixiviación no siempre es un proceso deseable, tal es el caso de los rellenos sanitarios, en los cuales la lixiviación representa un problema adicional al manejo de los residuos. Los rellenos sanitarios son depósitos controlados de residuos sólidos, los cuales están conformados idealmente por desechos no valorizables, principalmente de origen doméstico. La lixiviación tiene lugar cuando el agua de lluvia que incide sobre el depósito de basura o los escurrimientos del terreno entran en contacto directo con los desechos, extrayendo y arrastrando una gran cantidad de sustancias constituyentes de los residuos sólidos. El extracto resultante tiene un alto contenido de materia orgánica, nitrógeno, fósforo y microorganismos patógenos. Adicionalmente, si no existe un adecuado control de los residuos introducidos al relleno sanitario, los lixiviados pueden contener metales pesados, compuestos orgánicos persistentes u otros contaminantes (1) (6).

La gran cantidad y diversidad de sustancias contaminantes presentes en los extractos de los rellenos sanitarios, hacen que la lixiviación sea un fenómeno cuyo impacto ambiental y económico tenga que ser considerado en el diseño y manejo de los depósitos controlados de residuos sólidos. Los lixiviados representan un factor potencial de contaminación de aguas superficiales, aguas subterráneas y suelo si no se tratan de manera adecuada. Asimismo, para evitar su introducción al ambiente, los lixiviados deben ser colectados mediante sistemas de transporte de fluidos diseñados para tal fin. Finalmente se debe efectuar un tratamiento para degradar o remover las sustancias contaminantes presentes en el lixiviado (1) (4).

El manejo inadecuado de los lixiviados generados en los rellenos sanitarios da origen a graves problemas de contaminación ambiental. Fotografía (8).

Otra aplicación de gran relevancia ambiental es la prueba de lixiviación (leaching test) realizada principalmente en suelos y residuos peligrosos. En este caso, la lixiviación se utiliza para realizar un análisis destinado a la atenuación del deterioro ambiental. Este procedimiento se utiliza para determinar la movilidad de algún soluto al ser sometido a una extracción sólido - líquido en condiciones controladas (3).

En el caso de los residuos peligrosos de tipo sólido, la prueba de lixiviación permite medir la cantidad de un compuesto contaminante que será liberada al ambiente en caso de que se presenten condiciones de extracción durante el manejo de los residuos o en el sitio destinado para su confinamiento. De esta manera, es posible predecir el posible impacto ambiental en caso de ser introducido al medio, asimismo, permite identificar e implementar los mecanismos apropiados para prevenir la formación de lixiviados o contenerlos en caso de que estos se presenten (3) (11). 

La prueba de lixiviación (leaching test) suele realizarse en lechos empacados. Fotografía (9)

Otro uso ámpliamente difundido es la prueba de lixiviación en suelos. Este tipo de análisis, ademas de evaluar la concentración de un compuesto (o varios) en el suelo, proporciona información relacionada con su movilidad al entrar en contacto con el disolvente. La prueba se efectúa reproduciendo las condiciones ambientales a las que se encuentra expuesto el suelo, poniendo especial cuidado en la cantidad y calidad de la lluvia y el agua proveniente de escurrimientos, ya que estos fenómenos proporcionan el disolvente para la extracción. Los compuestos de interés en este análisis van desde nutrientes como materia orgánica y algunos compuestos nitrogenados hasta sustancias cuyo impacto ambiental es altamente nocivo y por lo tanto su presencia en el suelo es indeseable, tal es el caso de los metales pesados y plaguicidas. La prueba de lixiviación permite inferir la forma en que estos compuestos se distribuyen en los distintos tipos de suelo y la capacidad para extenderse a estratos inferiores y mantos freáticos (4) (2).

Como se analizó en el presente texto, la lixiviación es un fenómeno de gran importancia desde el punto de vista ambiental que puede contribuir a la solución de problemas de contaminación o, en caso contrario, no debe soslayarse en beneficio del ambiente. 

Referencias

1. Giraldo, E. (2001) Tratamiento de lixiviados de rellenos sanitarios: avances recientes.Revista de ingeniería. 14:44-55.
2. http://edafologia.fcien.edu.uy/archivos/Nutrientes%20del%20suelo.pdf
3. http://es.alcontrol.com/es/ensayos-de-lixiviación-sweden
4. http://es.wikipedia.org/wiki/Depósito_controlado
5. http://es.wikipedia.org/wiki/Lixiviación
6. http://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_(basura)
7. http://www.lixiviacion.com/pagina/lixiviacion-definicion
8. http://www.puntorevista.com/secciones/estatal/estatal0506laguna_corona.html
9. http://www.vanderbilt.edu/leaching/leaching-tests/
10. McCabe, W. L., Smith, J. C. y Harriot, P. (2007). Operaciones unitarias en ingeniería química. McGraw Hill.  7ª edición. China. Pág. 799.
11. Vite, J., Vite, M., Carreño, C. (1998). Lixiviación de metales pesados de residuos industriales peligrosos por medio de columnas termostatizadas y diseño de una planta piloto. Rev. In. Comta,. Ambient. 14(2):101-110.
12. Treybal, R. E. (1991). Operaciones de transferencia de masa.  McGraw Hill. 2ª edición. México. Pág. 265.

Las operaciones unitarias en la vida cotidiana.

Las operaciones unitarias son las partes individuales que conforman un proceso cuyo objetivo es provocar un cambio físico en un materia prima. Los cambios se inducen modificando la cantidad de masa, calor y/o momento de la materia prima.

El estudio de los fenómenos de transporte (masa, calor y momento) en las operaciones unitarias es de gran importancia ya que, ademas de comprender los fundamentos de las operaciones, es posible diseñar, controlar y optimizar los procesos que las involucran.

Durante las actividades cotidianas se pueden identificar muchas operaciones unitarias y por consiguiente, los fenómenos de transporte involucrados en cada una de ellas. Cabe mencionar que debido a la simplicidad (tamaño pequeño, bajo consumo de energía, gran rapidez, etc.) de estas actividades no se contemplan todos los factores involucrados en cada operación ni se realizan cálculos complejos para describir los procesos como lo haría un ingeniero o como se tendría que realizar en un proceso industrial, no obstante, el diseño, control y optimización suele efectuarse de forma empírica.

En las presentes lineas se enunciarán algunas de las operaciones unitarias presentes en la vida cotidiana que son mas fáciles de identificar, haciendo énfasis en los fenómenos de transporte que involucran.

Una actividad frecuente (quizá la mas común) es el calentamiento, el cual es una operación unitaria en la que básicamente se transfiere calor de un lugar a otro (particularmente de un cuerpo a otro) para elevar su temperatura. Por ejemplo, al calentar los alimentos (que tal una taza de leche caliente para desayunar) y el agua para la ducha. La transferencia de calor también puede ser aprovechada en su forma "inversa", es decir, para enfriar (que es un calentamiento, pero de algo que no es de interés). El ejemplo que viene de inmediato a la mente es la refrigeración, efectuada en un refrigerador, aparato indispensable para conservar nuestros alimentos al enfriarlos (en realidad se calienta un fluido refrigerante con el calor que le proporcionan los alimentos), o que tal una bebida refrescante con un par de hielos para enfriarla (lo que se calienta son los hielos con el calor que le transfiere la bebida). Así mismo, el calentamiento (y la transferencia de calor) es una operación que suele acompañar a otras operaciones, como se menciona en los ejemplos posteriores.

El calentamiento es una actividad muy común en las actividades domésticas.

Otra operación unitaria muy recurrente (la favorita de muchos sin darse cuenta) es la lixiviación (también llamada extracción sólido-líquido). En esta operación el fenómeno de transporte predominante es la transferencia de masa y consiste en solubilizar en un líquido un componente presente en un sólido. Esto sucede cuando el sólido se pone en contacto con el líquido. El ejemplo mas suculento que se puede citar es la preparación de café. Para preparar café se pone el grano previamente tostado y triturado (estas dos también son operaciones unitarias) en el filtro de una cafetera y se hace pasar agua caliente (otra vez el calentamiento) a través del grano. Es en este punto en donde el café se solubiliza en el agua, la cual se recolecta en el vaso de la cafetera para luego servirse y endulzarse al gusto. Cabe mencionar que la persona que prepara el café controla algunas variables importantes en el proceso, por ejemplo, selecciona la cantidad de agua o de grano a usar y el tamaño del grano triturado (si lo trituran al momento de comprarlo se puede escoger grueso, regular o fino). Nótese además que se emplea agua caliente, ya que la solubilidad del café (y de muchos otros compuestos) es mayor a temperaturas elevadas. De forma similar se preparan los tés y el agua de jamaica.

El proceso mediante el cual se prepara el café de grano se denomina lixiviación.

Por otra parte, si el café se prepara adicionando los granos triturados a un recipiente con agua hirviendo, después de lixiviar el café habrá la necesidad de separar estos granos (en una cafetera, el filtro contiene los granos evitando que se dispersen en la solución). Esto se consigue mediante la operación unitaria denominada filtración. La filtración se basa en la transferencia de momento y consiste en la retención de las partículas presentes en un fluido por un medio filtrante. En el ejemplo del café, el medio filtrante es la coladera (en la cafetera es el filtro) que retiene a los granos ya lixiviados. En este caso, el líquido fluirá rápidamente (ya que el agua es un fluido con baja viscosidad y los granos triturados son sólidos "duros") a través de la coladera y de los granos triturados, empero no siempre sucede así. Otro uso de la filtración, quizá mas frecuente que el anterior, se presenta cuando se cuela el agua de alguna fruta. Por ejemplo, el agua de piña, la cual después de triturarse en una licuadora se hace pasar a través de una coladera para eliminar las partículas grandes. En este caso los sólidos que quedan retenidos en la coladera son "blandos", por lo que se apelmazan y obstruyen el paso del agua. Para resolver esta dificultad los sólidos suelen eliminarse periódicamente o se remueven en la coladera con una cuchara o propinándole pequeños golpes que desacomodan los sólidos haciendo fluir el agua (se le suministra movimiento).

Al colar los alimentos se esta efectuando una filtración.

Otra operación unitaria, que no es muy variada en la vida cotidiana pero si es de gran tamaño, es el secado. El secado involucra dos fenómenos de transporte: la transferencia de masa y la transferencia de calor. En esta operación se elimina humedad de un sólido poniéndolo en contacto con aire. El ejemplo de esta operación es cuando se seca la ropa. Cuando esto se hace de manera clásica, la ropa mojada se cuelga (en los famosos tendederos) poniéndola de esta manera en contacto con el aire atmosférico al cual cede la humedad gradualmente hasta secarse completamente. Muchas veces el calor del sol contribuye al secado, sin embargo, cabe destacar que este proceso se puede efectuar en ausencia del sol y a bajas temperaturas (siempre y cuando no se congele el agua de la ropa) ya que la eliminación del agua es impulsada por la escasa humedad del aire (en ningún momento hierve el agua). Este proceso suele estar acompañado por un descenso en la temperatura del objeto que se esta secando. Este fenómeno también se presenta en el cuerpo humano cuando el sudor se evapora y origina una sensación refrescante, o en las ollas de barro en las que se almacena agua para mantenerla fresca.

La eliminación del agua de la ropa se hace mediante la operación de secado.

Como se ha visto, las operaciones unitarias y fenómenos de transporte, que a golpe de vista parecen complejas y lejanas, se encuentran presentes en muchos procesos de la vida diaria. Si esto sucede en actividades tan comunes como las domésticas, con mayor frecuencia se presentarán en plantas piloto e industriales, en laboratorios y en el ambiente.