Se realizó una caracterización físico-química de las aguas del río Iscahuaca -Colcabamba, en época de estiaje y de lluvias. También se ejecutó un muestreo de la calidad de las aguas de la zona a fin de determinar las potenciales fuentes de contaminación por arsénico.

Diseño experimental. Se aplicó el diseño de Superficie de Respuesta considerando como variables independientes el alambre de hierro (2 g a 10 g) y el jugo de limón (0,5 mL a 2,0 mL); y como variable dependiente el arsénico (una concentración inicial de 0,2 mg As/L). Estos rangos fueron establecidos tomando como referente la literatura sobre la descontaminación de las aguas de Bangladesh y la realización de pruebas preliminares.

Con el apoyo del software Minitab, de Minitab Inc., versión 14.2. (2003), se determinó el número de pruebas experimentales (13) y la cantidad de los insumos para cada prueba. El número de pruebas se determinó en base al diseño compuesto central para dos factores9. Ejecutadas las pruebas, los resultados se utilizaron para las predicciones y la optimización de la cantidad de insumos para el tratamiento de un litro de agua a una concentración mínima esperada de 0,003 mg/L de arsénico total.

Caracterización de los insumos. Se utilizó alambre de hierro de calibre Nro. 16, conocido como "alambre negro", producido por el Consorcio Aceros Arequipa S.A. en Perú. También se utilizó limones de la variedad Citrus aurantifolia swingle, comúnmente conocidos como limones sutil, previa caracterización visual y mediciones de: pH por el método electrométrico (APHA 4500-H+), porcentaje de jugo por diferencia de peso entre el peso total y la cantidad de jugo extraído, y el ácido cítrico por el método volumétrico (AOAC 942.15).

Aplicación del método RAOS con hierro metálico. La aplicación del método RAOS se llevó a cabo de la siguiente manera: a) Llenado de agua contaminada con una jarra graduada en botellas plásticas transparentes de polietilentereftalato (PET) de 1,5 L de capacidad, que originalmente contenían bebida gaseosa y fueron lavadas. b) Incorporación de alambres de hierro previamente lijados con una lija de metal y cortados en tamaños iguales. c) Adición de la dosis de jugo de limón. d) Agitación breve de las muestras. e) Colocación de las botellas en un soporte de madera (parte superior de la botella a 30º de la base). f) Retiro de las botellas después de seis horas de exposición solar, dejándoles en posición vertical hasta el día siguiente. g) Filtrado de la muestra con paño de tela de algodón. También se elaboró material didáctico apropiado para su adecuada aplicación.

En campo, luego de dos horas de exposición solar, se fue retirando una muestra de agua cada hora para medir la reducción del arsénico en función del tiempo de exposición.

Ensayos y parámetros evaluados. Para las pruebas experimentales se preparó, en laboratorio, muestras de agua sintéticas con una concentración de 0,2 mg/L de arsénico total a partir de una solución estándar de arsenito de sodio, NaAsO₂ (Baker).

El arsénico total se analizó por espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros de flujo continuo, método 3114-C (APHA, 2005) cuyo límite de cuantificación en laboratorio fue de 0,003 mg/L. Se utilizó un equipo Varian AA-5 con microcomputador y un generador de hidruros Varian VGA-77.

Las pruebas en campo fueron realizadas con un duplicado, y en los análisis de laboratorio se siguieron los procedimientos de control de calidad: blanco y duplicados.

Las mediciones de radiación solar se realizaron con un piranómetro termoeléctrico (multimeter with backlight and temperatura 179, Fluke Corporation). Se constató que el equipo estaba calibrado mediante comparación de lecturas con un piranómetro patrón referencial del Observatorio Meteorológico Alexander von Humboldt de la Universidad Nacional Agraria La Molina.

Optimización de la cantidad de insumos. Se aplicó el diseño de Superficie de Respuesta en aguas sintéticas de un pH promedio de 6,7 y una concentración de 0,2 mg/L de arsénico total, lográndose obtener una concentración final por debajo del valor máximo admisible de 0,01 mg As/L para aguas de consumo humano (figura 3).

Se determinó que la cantidad óptima de insumos para obtener una concentración mínima aceptable y cuantificable en laboratorio (0,003 mg/L de arsénico) se requiere incorporar al agua 6 g de alambre de hierro y 1,3 mL de jugo de limón.

En las aguas del río Iscahuaca - Colcabamba se encontró una concentración de 0,05 mg/L de arsénico total, un pH ligeramente alcalino, con valores entre 7,4 y 7,8; y una concentración promedio de hierro en 0,03 mg/L. Metales como cadmio, cobre, manganeso y plomo se encontraron a nivel de trazas.

Mediante un muestreo en la zona, realizado en forma puntual, se determinó que la contaminación por arsénico proviene de dos afloramientos de agua termal ubicados en las riberas del río (0,514 mg As/L y 0,953 mg As/L) y de las aguas de la quebrada Iscahuaca (0,035 mg/L). Los afloramientos de agua termal presentaron una concentración de 0,73 mg As/L; 36,8º C de temperatura; 6,17 de pH; 0,48 mg/L de hierro y 151,5 mg/L de sulfatos en promedio.

Características de los insumos. Los limones de la variedad Citrus aurantifolia swingle, presentaron un pH ácido de 2,0 y 6,85% de ácido cítrico, cuyas características visuales y de laboratorio se puede apreciar en la tabla 1.

Los alambres de hierro calibre Nro. 16 (1,6 mm de diámetro) se caracterizaron por contener un 99% de hierro y elementos trazas como manganeso, carbono, silicio y fósforo; según las especificaciones técnicas estandarizadas (Norma de la Sociedad de Ingenieros Automotores, SAE 1008) de elaboración de la fábrica (Consorcio Aceros Arequipa S.A.)

El contenido de ácido cítrico del jugo de limón sutil utilizado en el método RAOS fue de 6,85% en promedio, mayor en 1,25%, aproximadamente, al valor promedio de 5,6% de ácido cítrico del jugo de limón producido en la provincia de Tucumán en Argentina, actualmente primer productor mundial de limones10. Se deduce que el limón sutil es el mejor insumo de citrato en el método RAOS.

Aplicación del método RAOS con hierro metálico. Aplicando el método RAOS en aguas sintéticas de una concentración de 0,2 mg/L de arsénico total se logró una reducción de hasta un 98,5% y una concentración final de 0,003 mg/L de arsénico total. La irradiación solar promedio fue de 612,1 W-h/m² en 6 horas de exposición solar.

En las aguas del río Iscahuaca - Colcabamba con 0,05 mg/L de arsénico total, se logró reducir un 88%, alcanzándose una concentración final de 0,006 mg As/L. Las muestras de agua fueron expuestas al sol desde las 9:00 a.m. a 3:00 p.m., registrándose una irradiación solar promedio de 586 W-h/m2. También se registró un incremento de los valores de pH y temperatura: el pH varió de 7,0 a 7,4; y la temperatura de 15 ºC a 37 ºC.

La energía solar en la investigación fue mayor a 550 W-h/m². En las pruebas experimentales con aguas sintéticas se registró un promedio de 612,1 W-h/m² (época de verano en Lima), ligeramente superior al promedio de 586 W-h/m² registrado en la experimentación en campo realizada en Apurímac, esto debido a la presencia de nubes que influenció la intensidad de la energía solar. Se deduce que la condición climática de la experimentación en campo pudo afectar la eficiencia de remoción del arsénico.

El jugo de limón actuó como catalizador en la oxidación del arsénico; sin embargo, se observó que el exceso de jugo de limón no sólo interfirió en el proceso de remoción del arsénico, sino también afectó la calidad del agua. En las pruebas experimentales se observó que en muestras de agua con 2,0 mL de jugo de limón se intensificó la coloración amarillenta producida por la oxidación del hierro y presentó mayor cantidad de sólidos en suspensión difícil de filtrar. Además, es probable que las aguas tuvieran un sabor desagradable.

La incorporación de hierro, como alambres, para la adsorción del arsénico fue satisfactoria. Se reconoció la oxidación del hierro metálico, Feº a Fe (III), al observar un precipitado pardo rojizo gelatinoso de hidróxido de hierro, Fe(OH)³, en el agua; también se llegó a observar la formación de una película de óxido de hierro en el alambre. Sin embargo, en las pruebas experimentales se pudo observar que el exceso de alambre de hierro proporciona una coloración amarillenta al agua, con tendencia a impregnarse en las paredes del envase.

Reducción del arsénico en función del tiempo de exposición solar. La presencia de 0,05 mg/L de arsénico total en las aguas del río Iscahuaca - Colcabamba se redujo en un 6% luego de tres horas de exposición solar; antes de este tiempo, no se logró remoción significativa alguna. En cuatro horas alcanzó un 38%, y en seis horas de exposición solar un 88% de remoción de arsénico (figura 4).

Existe una relación directa entre el grado de remoción del arsénico y el tiempo de exposición a la irradiación solar, siendo recomendable una exposición mínima de 6 horas para una eficiencia de reducción mayor al 85%.

También se observó una relación directa entre la disminución de la concentración del hierro total y el tiempo de exposición, llegando luego de 6 horas de exposición solar, a valores menores de 0,01 mg/L.

Los resultados de la investigación indican que aplicando el método RAOS con 6 g de alambre de hierro y 1,3 mL de jugo de limón por litro de agua se puede reducir el arsénico a niveles por debajo del valor máximo admisible de 0,01 mg/L, en aguas de consumo humano.

En las pruebas experimentales (0,2 mgAs/L y pH cercano al neutro) se obtuvo una reducción del 98,5% de arsénico total y una concentración final de 0,003 mg As/L bajo una irradiación solar promedio de 612,1 W-h/m². En la experimentación en campo con las aguas del río Iscahuaca - Colcabamba (0,05 mgAs/L) de la región Apurímac se obtuvo una reducción del 88% de arsénico total, registrándose una concentración final de 0,006 mg As/L, bajo una irradiación solar promedio de 586W-h/m².