DEGRADACIÓN DEL HERBICIDA ATRAZINA EN AGUA MEDIANTE LOS PROCESOS FENTON Y FOTO-FENTON Tamara B. Benzaquén, Inés Curcio, Miguel A. Isla y Orlando M. Alfano. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (INTEC) tbenzaquen@intec.unl.edu.ar Ruta Nacional 168 - Paraje “El Pozo” Código Postal 3000 - Localidad Santa Fe – Santa Fe Teléfono: 54 (0) 342 451 1595 RESUMEN La Atrazina (6-cloro-N-etil-N′-(1-metiletil)-1,3,5-triazina-2,4-diamina) es un herbicida bastante utilizado en los cultivos de maíz de nuestro país. Es un compuesto altamente tóxico que provoca mutaciones y alteraciones en los sistemas reproductivos de peces y anfibios, y está clasificado como disruptor del sistema endócrino en seres humanos, razones por las que se encuentra prohibido en la mayoría de los países Europeos. Pese a esto, en nuestro país este herbicida sigue siendo utilizado sin ningún tipo de restricciones. Es sabido que los procesos de Fenton y de Foto-Fenton son bien conocidos por su capacidad para degradar compuestos orgánicos tóxicos disueltos en agua. Por lo que el objetivo de este trabajo fue determinar si la Atrazina es factible de ser reducida a moléculas más simples y de menor toxicidad mediante la aplicación de este tipo de procesos. Además, se buscó determinar la eficiencia de los procesos modificando los principales parámetros de la reacción. Con este objetivo, se realizaron ensayos de degradabilidad en un reactor fotoquímico “batch” a escala laboratorio. La radiación incidente en el fotorreactor fue suministrada por dos lámparas tubulares fluorescente Philips TL K 40W/09 N con un rango de emisión entre los 315 nm y los 400 nm. Durante las corridas se mantuvieron constante variables tales como la concentración inicial de contaminante, la temperatura y el pH; los parámetros que se variaron fueron la concentración inicial de la sal férrica, la concentración inicial de peróxido de hidrógeno y la radiación. En todos los casos durante el transcurso de la corrida se monitoreó: la concentración de Atrazina, mediante Cromatografía Líquida de Alta Resolución con Detector UV (HPLC-UV); la concentración de hierro (II) y de hierro total, mediante el método colorimétrico de la 1,10-fenantrolina; y la concentración de peróxido de hidrógeno, utilizando una técnica iodométrica modificada. Además con el objetivo de monitorear la mineralización del herbicida se determinó el Carbono Orgánico Total (TOC). INTRODUCCIÓN Actualmente, tanto a nivel mundial como en nuestro país, la utilización de agroquímicos en la agricultura es el método más frecuente para el control de plagas, y uno de los agentes principales que ha permitido conseguir los actuales rendimientos de la producción agropecuaria. Si bien estos productos han evolucionado en los últimos años tendiendo a presentar menor peligro, menor efecto 1 residual y ser biológicamente más selectivos, siguen siendo sustancias peligrosas para la salud del hombre y del ecosistema. Uno de los factores de riesgo de contaminación ambiental más importante que genera el uso de estos productos en el ámbito rural, es la eliminación de sus envases vacíos. Según datos de CASAFE (Cámara de Sanidad Agropecuaria y Fertilizantes), 2009, los envases que contuvieron productos fitosanitarios, y que no fueron descontaminados mediante ninguna técnica, retienen en su interior volúmenes de hasta un 2 % del total del producto contenido, por lo que son potencialmente peligrosos, tanto para el ser humano como para el medio ambiente. Además se informa que el volumen anual de envases despachados al mercado argentino de productos fitosanitarios alcanza alrededor de las 8.000 toneladas anuales. En busca de mitigar este problema en la Argentina, el “Programa Agrolimpio” de esta cámara [CASAFE, 2004], propuso una solución que contempla la realización de un Triple Lavado, el que permite remover el 99,999% de los residuos presentes en el envase. Esto se realiza con el objetivo de descontaminar estos envases y poder manipularlos posteriormente como residuos sólidos de acuerdo al reglamento de la ley 27314 (Ley General de Residuos Sólidos). Lamentablemente, no existe una plena concientización sobre el tema, y relevamientos realizados demuestran una muy baja adopción de esta técnica [Bulacio et al., 2001]. En el mercado nacional de los agroquímicos prevalecen los herbicidas y dentro de los más comercializados se puede encontrar a la Atrazina [CASAFE, 2008]. La Atrazina es un herbicida organoclorado que pertenece al grupo de las Triazinas. Éste tiene una amplia variedad de usos en todo el mundo, en particular en nuestro país, y es el herbicida más utilizado en los cultivos de maíz. Su aplicación puede realizarse antes de la siembra o bien en la postemergencia temprana. Además se utiliza en la producción de lino, caña de azúcar y sorgo, para combatir malezas, como cola de zorro, diente de león y llantén, entre otras. La EPA (Agencia de Protección Ambiental de los EEUU) estimó en 1999 que este compuesto fue el pesticida más intensamente empleado en los EEUU, alcanzando una dosis anual de unos 36 mil kilogramos [Donaldson et al., 2002]. Este compuesto es clasificado como “medianamente tóxico” y tiene la propiedad de ser soluble en agua, condición por la cual es muy factible que consiga alcanzar los ambientes acuáticos. Además, causa serias preocupaciones debido a su posible efecto negativo sobre la salud, sus efectos sobre los organismos acuáticos, sus niveles en el agua potable y el desarrollo de resistencia al producto. Si bien su uso está disminuyendo a nivel mundial, los efectos de su persistencia a largo plazo aún pueden generar riesgos para la salud y problemas ambientales en el futuro. Este compuesto se encuentra severamente restringido en la Unión Europea, pero en nuestro país la legislación no contempla su prohibición, por ello su uso continúa siendo masivo. En la actualidad, son muy empleados los tratamientos biológicos convencionales para degradar efluentes que presentan carga orgánica dada por compuestos biodegradables, fundamentalmente porque presentan costos comparativamente inferiores al de otros procesos. Sin embargo, por lo general cuando estos son combinados con efluentes que presentan compuestos químicos tóxicos como herbicidas, estos tratamientos no dan resultados satisfactorios debido a su elevada toxicidad, reduciendo la eficiencia del tratamiento [Pulgarín et al., 1999; Parra et al., 2000; Sarria et al., 2003; Mantzavinos et al., 2004; Muñoz et al., 2006]. Trabajos anteriores mostraron que la Atrazina genera un impacto negativo en la 2 actividad biológica de microorganismos posibles a estar presentes en un sistema de tratamiento biológico [Benzaquén et al., 2010]. Recientemente, los llamados Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), que se caracterizan por la generación de radicales hidroxilos altamente reactivos capaces de degradar una amplia variedad de compuestos orgánicos, se han utilizado para aumentar la biodegradabilidad de diversos contaminantes recalcitrantes [Sarria et al., 2002; Sarria et al., 2003; Lapertot et al., 2007; Oller et al., 2007; Farré et al., 2008; Ballesteros et al., 2009]. Dentro de estos, los procesos de Fenton y de Foto-Fenton son bien conocidos por su capacidad para degradar una gran variedad de compuestos orgánicos tóxicos disueltos en agua. La reacción Fenton consiste en un sistema químicamente complejo que involucra la generación de las mencionadas especies oxidantes, a partir de la reacción de sales de hierro y peróxido de hidrógeno. Esta reacción, bajo la influencia de radiación UV-Visible forma la denominada reacción de foto-Fenton o de Fenton fotoasistida [Pignatello, 1992]. Siendo que uno de los progresos recientes más importantes en los PAOs ha sido su combinación con los tratamientos biológicos, en este trabajo se pretende mediante la aplicación de los procesos de Fenton y de Foto-Fenton, reducir la Atrazina a moléculas más simples, de menor toxicidad y consecuentemente más fácilmente biodegradables. MATERIALES Y MÉTODOS Reactivos Los reactivos y principales productos químicos que han sido utilizados en la realización de los experimentos fueron: Atrazina (Figura 1), calidad cromatográfica (≥ 98 %, Sigma-Aldrich) como patrón para calibración; Atrazina (90% calidad técnica, formulación comercial SYNGENTA) para las corridas; Ácido Cianúrico (≥ 99 %, Sigma-Aldrich); sulfato de hierro (FeSO4.nH2O, Carlo Erba, RPE); peróxido de hidrógeno (30% p/v, Ciccarelli p.a.) y ácido sulfúrico para ajustar el pH (grado analítico). Figura 1: Estructura molecular de la Atrazina (6-cloro-N-etil-N′(1-metiletil)-1,3,5-triazina-2,4-diamina) Para las experiencias se prepararon soluciones del contaminante modelo, de peróxido de hidrógeno y de sulfato férrico. Todas ella se realizaron con agua destilada. Con la finalidad de evitar precipitados de Fe (III), la sal férrica fue disuelta en agua destilada acidificada con ácido sulfúrico (pH≈1). 3 Dispositivo Experimental El dispositivo experimental donde se realizó la fotodegradación de la Atrazina fue un reactor isotérmico, bien agitado y con reciclo. Un esquema de éste se presenta en la Figura 2. Figura 2: Diagrama de flujo del dispositivo experimental: 1) Fotorreactor, 2) Lámpara UV, 3) Reflector parabólico, 4) Intercambiador de calor, 5) Baño termostático, 6) Bomba, 7) Tanque de almacenamiento, 8) Termómetro, 9) Toma de muestra de líquido. El reactor de placas planas de vidrio borosilicato y sección circular, fue irradiado a ambos lados con dos lámparas tubulares colocadas en el eje focal de dos reflectores cilíndricos de sección transversal parabólica. La energía radiante fue suministrada por lámparas fluorescentes de luz negra Philips TL K 40W/09 N. Las características y dimensiones del reactor, las lámparas y los reflectores se pueden ver en la Tabla 1. El sistema experimental incluye un tanque de almacenamiento de vidrio Pyrex, equipado con una válvula de toma de muestra de líquidos, un termómetro y un dispositivo de control de pH. Completan el sistema, un intercambiador de calor de cristal conectado a un baño termostático, para mantener la temperatura constante durante la reacción, y una bomba centrífuga para lograr una alto caudal de recirculación de la solución acuosa. 4 Reactor Volumen Irradiado 69,94 cm3 Diámetro 4,40 cm Longitud 4,60 cm Volumen Total de Líquido 3000 cm3 Lámpara Philips TL K 40W/09 Potencia Nominal 40 W Potencia de salida: 315 nm ≤ λ ≤ 400 nm 6,6 W Diámetro 3,8 cm Longitud nominal del arco 61 cm Reflector Constante característica de la parábola 2,75 cm Distancia entre el vértice de la parábola y el reactor 6,0 cm Longitud 50 cm Table 1. Dimensiones y principales características del reactor, las lámparas y los reflectores Procedimiento experimental El procedimiento experimental se inició cuando la solución previamente preparada de Atrazina se añade al tanque de almacenamiento, luego se incorpora la cantidad necesaria de la solución de sulfato de hierro para alcanzar la concentración deseada, se ajusta el pH con la solución de H2SO4 (0,164 N) o en su defecto con una solución de NaOH (1 N), y por último se agrega la cantidad necesaria del peróxido de hidrógeno para obtener la concentración deseada; alcanzándose de esta forma un volumen final de 3000 cm3. En este momento se retira la primera muestra (M0) e inmediatamente, para el caso de una corrida foto-Fenton, se abren las ventanas del reactor para permitir la incidencia de la radiación. Todas las corridas experimentales se realizaron en condiciones de pH (2,8-3) y de temperatura (303 K) constantes. Los experimentos tuvieron una duración de 3 a 4 horas, con toma de muestras del líquido en intervalos de tiempo iguales (30 min). Técnicas analíticas Las muestras fueron filtradas con filtros de nylon de 0,22 µm y dividida en seis alícuotas para mediciones de: Atrazina, hierro (II), hierro total, peróxido de hidrógeno, Carbono Orgánico Total (TOC) e iónes inorgánicos. La concentración de Atrazina se analizó mediante cromatografía Líquida de Alta Resolución (flujo de 1 mL/min) en un cromatógrafo Waters, equipado con detector UV y con columna de fase reversa C18 (X-Terra® RP); la composición de la fase móvil empleada fue Acetonitrilo/Agua (50:50). La detección del contaminante y sus intermediarios se realizó a una longitud de onda de 221 nm. El carbono orgánico total se determinó en un analizador específico de TOC (Shimadzu TOC-5000A). La concentración de peróxido de hidrógeno (H2O2) se obtuvo con mediciones en un espectrofotómetro, UV-VIS CARY 100 BIO, a 350 nm (ε = 2,33 x 104 M-1cm-1) 5 utilizando una técnica iodométrica modificada [Allen et al., 1952]. Las medición de hierro (II) y hierro total, se realizaron empleando el método colorimétrico de la 1,10fenantrolina (ε = 1,11 x 104 M-1cm-1) a 510 nm [APHA, 1995]. Los iones inorgánicos se determinaron en un cromatógrafo de intercambio iónico combinado con detección por conductividad con supresora. Las muestras para determinación de peróxido de hidrógeno y Fe(II) son pretratadas con bifluoruro de amonio [Chen y Pignatello, 1997; Kirk y Namasivayam, 1983] y para Fe total con ácido ascórbico [Gernjak, 2006]. RESULTADOS Y DISCUSIONES Durante las experiencias se varió la concentración inicial de la sal férrica, [Fe3+]0(ppm)=[5; 20], la relación inicial de las concentraciones de peróxido de hidrógeno/Atrazina, R=[35; 210] (siendo R=35 la relación estequiométrica teórica) y la radiación en dos niveles, Rad=[0, 1]. Estos niveles de radiación, corresponden a condiciones de irradiación (reacción de foto-Fenton cuando Rad = 1) y oscuras (reacción de Fenton cuando Rad = 0). El efecto producido por distintas relaciones de concentración inicial de peróxido de hidrógeno/Atrazina ante una misma concentración de Fe3+, se puede observar en la Figura 3. Figura 3: Efecto producido por distintas relaciones de concentración inicial de 0 peróxido de hidrógeno/Atrazina ante una misma concentración de C Fe3+ = 10 ppm. La Figura 4 muestra datos experimentales de concentraciones relativas de Atrazina en experimentos oscuros e irradiados, para una concentración inicial del ión férrico de 10 ppm y una relación molar inicial de peróxido de hidrógeno / Atrazina de 35. 6 3+ Figura 4: Efecto producido por la radiación, para [Fe ]0 = 10 ppm y R = 35. Como se puede apreciar ante una misma concentración de sal férrica inicial y una relación de peróxido de hidrógeno/Atrazina, el proceso Fenton es mucho menos eficaz que el proceso foto-Fenton. A lo largo de las corridas experimentales, se pudieron identificar por lo menos tres intermediarios de reacción, entre los cuales se pudo reconocer al ácido Cianúrico como el producto final del proceso de degradación [Pelizzetti et al, 1990; Minero et al, 1996; Hincapié et al, 2006]. En la Figura 5 se muestra el comportamiento de los intermediarios, en una corrida experimental típica. Figura 5: Evolución de la Atrazina y sus principales intermediarios en función 3+ del tiempo, para el proceso foto-Fenton a pH = 3, con [Fe ]0 = 10 ppm y R = 210. 7 CONCLUSIONES A partir de resultados experimentales se pudo determinar que el sistema fotoFenton (reacción irradiada), predice una conversión del contaminante orgánico mayor que la obtenida con el sistema de Fenton (reacción “oscura”), para idénticas condiciones iniciales de peróxido de hidrógeno y de sal férrica. Además se pudo detectar la presencia de intermediarios que no permitieron alcanzar la mineralización total del compuesto, lo que se evidenció, principalmente, con una concentración de carbono orgánico total remanente. Por lo que puede concluir que la Atrazina en lugar de alcanzar la mineralización completa muy a menudo observada con este tipo de procesos; no es completamente mineralizada ni por el proceso Fenton ni por el proceso foto-Fenton [Hincapié et al, 2005; Hincapié et al, 2006]. Esto se puede deber probablemente a su anillo de triazinico que posee una alta estabilidad [Huston, et al, 1999; Maldonado et al, 2007]. Además se ha identificado al ácido cianúrico como el producto final de la degradación de la Atrazina, compuesto éste de menor toxicidad y más fácilmente biodegradable [Ernst y Rehm, 1995; Hiskia et al, 2001; Lapertot et al, 2006]. Ante estos resultados, resulta promisorio el estudio de la mineralización completa de la Atrazina mediante la aplicación de un proceso de fotodegradación combinada posteriormente con un proceso de degradación biológica. REFERENCIAS Allen A.O., Hochanadel J.A., Ghormley J.A., Davis T.W. (1952). Decomposition of water and aqueous solutions under mixed fast neutron and gamma radiation. J. Phys. Chem., 56, 575. APHA, AWWA, WEF (1995). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th ed., APHA, Washington. Benzaquén, T. B.; Benzzo, M. T; Isla, M. A.; Alfano, O. M , 2010. 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