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UNIVERSIDAD AUTONÓMA DE QUERÉTARO
FACULTAD DE QUÍMICA
INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL
PROYECTO DE ECOLOGIA MICROBIANA
“IMPLEMENTACION DE CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA PARA LA
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD UTILIZANDO AGUA RESIDUAL EN
PRESENCIA DE GEOBACTER”
ALONSO MARTÍNEZ AIDA
Junio del 2013
I. ANTECEDENTES
El concepto de microrganismos usados como catalizadores en celdas de
combustibles microbianas (CCM) fue explorado desde los años 70 y 80 (Alzate L.,
2008). El primer ejemplo de actividad eléctrica con microorganismos fue mostrado
por Potter en 1910; en sus experimentos recurrió a cultivos de E. coli y electrodos
de platino para generar corrientes eléctricas que por su pequeña magnitud
pasaron desapercibidas para la comunidad científica. Este tipo de procesos no
despertó el interés hasta la década de los años ochenta, con la utilización de
mediadores redox solubles que aumentaban la producción de corriente y la
potencia de estos sistemas (Esteve A., 2008).
En 1960, las celdas de combustible microbiana alcanzan su popularidad cuando la
Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio en los Estados Unidos de
América (NASA), manifestó su interés. El objetivo era convertir residuos orgánicos
producto de los vuelos al espacio, en energía eléctrica. Los organismos
empleados eran algas y bacterias. En 1962 Rohrback G., diseñó una celda de
combustible microbiana donde utilizó Clostridium butyricum como catalizador para
generar hidrógeno mediante fermentación de glucosa. (Romero A., 2012).
1
En 1963 algunas celdas de combustible biológicas se comercializaron en el
mercado como fuente de energía para: receptores de radio, luces de señalización
y diversos aparatos en alta mar. Sin lograr el éxito comercial deseado y pronto
desapareció del mercado. En 1966 Williams K. presentó un conjunto de celdas de
combustible microbianas alimentadas con cascara de arroz y conectadas en serie,
con la capacidad de producir aproximadamente un voltaje de 6V y una corriente
eléctrica de 40 Madc (Romero A., 2012).
La CCM utilizada para tratar agua residual doméstica fue introducida por
Habermann y Pommer (1991). Sin embargo, recientemente han vuelto a ser
dispositivos atractivos para generar electricidad desarrollando oportunidades para
aplicaciones prácticas (Álzate L., 2008).
La gran revolución en el campo de las CCM se ha producido en el última década,
con el descubrimiento de microrganismos electrogénicos que son capaces de
transferir los electrones al ánodo en ausencia de mediadores redox artificiales. De
esta manera, se eliminan los problemas de toxicidad en los dispositivos
electroquímicos y los medios utilizados quedan restringidos al combustible
orgánico que se desee utilizar y al microorganismo que actúe como catalizador
biológico (Esteve A., 2008).
II. FUNDAMENTACION TEÓRICA
Pila de combustible microbiana (CCM)
Una pila de combustible microbiana (CCM) es un dispositivo en el que se convierte
energía química en energía eléctrica por la acción biocatalítica de
microorganismos que oxidan sustratos biodegradables tales como glucosa,
acetatos o materia orgánica presente, por ejemplo, en las aguas residuales
(Hernández F., 2010). Una CCM catalizada por el Geobacter en condiciones
anóxicas, pero con presencia de sustancias tales como nitratos o sulfatos como
agentes de oxidación se descompone la materia orgánica produciendo electricidad
(Álzate L., 2008).
2
Resultado de la oxidación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas se
produce CO2, protones y electrones, mientras que en condiciones aeróbicas
únicamente se produciría CO2 y agua. Por ello resulta de interés mantener
condiciones anaeróbicas para la generación de electrones: (Hernández F., 2010).
La CCM consiste básicamente en dos compartimentos, anódico y catódico, que
están separados por una membrana permeable de intercambio de protones. El
compartimiento anódico se debe conservar en condiciones anaeróbicas donde una
biopelícula del Geobacter sobrepuesto en el ánodo oxida la materia orgánica y
genera dióxido de carbono, protones y electrones. Los electrones viajan a través
de una resistencia que conecta el ánodo y el cátodo, originando una pequeña
corriente que puede ser medida y utilizada para realizar trabajo. Los protones son
transferidos por medio de la membrana permeable al compartimiento catódico que
se encuentra normalmente en condiciones aeróbicas, en esta cámara se
combinan los protones, los electrones y el oxigeno con el fin de generar agua.
(Álzate L., 2008).
La transferencia de electrones sobre el
electrodo es directa, no necesita de un
agente oxidante gracias a los Pilis, que
se adhieren a los electrodos y permiten
que los electrones se transfieran desde
la materia orgánica hasta el ánodo
directamente. (Romero A., 2012).
Ánodo: Los materiales con los que se
deben construir los ánodos deben ser
conductivos, biocompatibles y
químicamente estables en la solución del reactor. El material del electrodo más
versátil es el carbón, disponible en placas de grafito compacto, barras o gránulos,
3
C12H22O11 + 13H2O 12CO2 + 48H+ + 48e-
ya que son relativamente económicos, fáciles de manipular y tienen un área de
contacto definida. (Hernández F., 2010).
En el caso de una CCM de Geobacter, el grafito proporciona una superficie
áspera, no sólo para las que células individuales se enlacen directamente al
ánodo, sino que también permite a estas bacterias anclarse firmemente a la
superficie por medio de Pili. (Álzate L., 2008).
Reacción en el ánodo, donde el Geobacter interactúa con la materia orgánica
“acetato” oxidándola completamente:
Cátodo: Los materiales con los que se deben construir los cátodos deben ser
conductivos, biocompatibles y químicamente estables para soportar la interfaz
donde se reduce el oxigeno puro con los protones y electrones, para formar agua:
Membrana de intercambio de protones (PEM): La PEM ayuda a canalizar los
protones en una sola dirección desde el ánodo hacia el cátodo. (Hernández F.,
2010).
Bacterias productoras de electricidad
Las bacterias asociadas a la producción de electricidad pertenecen a varios
géneros, entre los más estudiados las bacterias del género Geobacter y
Shewanella. (Esteve A., 2008).
Estos microorganismos son capaces de producir energía renovable a partir de la
oxidación de compuestos orgánicos usando un electrodo como aceptor de
electrones. Se encuentran en sedimentos de agua dulce, submarinos anóxicos así
como en ambientes subterráneos y acuíferos. (Esteve A., 2008).
4
Ánodo: C2H4O2 +2 H2O 2 CO2 + 8H+ + 8e-
Cátodo: 2O2 + 8H+ + 8e-2 H2O 4H2O
El género de bacterias “Geobacter” se encuentra clasificado en el grupo
Deltaproteobacteria de la familia Geobacteracea, son Gram-negativas, se
caracteriza en general por poseer una forma recta o ligeramente curvada, su
tamaño puede variar de 1,2-2,0 nm de longitud por 0,5-0,6 nm de diámetro,
además se caracteriza en general por poseer dos tipos de apéndices celulares,
flagelos y Pili. (Romero A., 2012).
Los Pili son estructuras eléctricamente conductoras de proteínas, cuya función es
transferir electrones desde la superficie externa del Geobacter hasta aquellos
materiales que se logran reducir, estas estructuras se encuentran localizadas a un
costado de la célula, su número puede variar entre 100 y hasta 1000 por bacteria,
su tamaño es aproximadamente de 3-5 nm de diámetro por 1-5 nm de longitud.
Estas estructuras son de gran importancia ya que permiten al Geobacter llevar
cabo la habilidad de transferir electrones al hierro insoluble, metales o electrodos.
En particular el metabolismo celular de la especie Geobacter es quimioorganótrofo
anaerobio, es decir, utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y de
carbono para su crecimiento y desarrollo. (Romero A., 2012).
En los procesos redox de respiración anaerobia es necesario la presencia de
posibles receptores de electrones como son: Nitratos, Sulfatos, Fumarato,
Ferricianuro, Fe (III), oxigeno y electrodos.
5
El Geobacter poseen una red de
Citocromos tipo C multihemo, una proteína
que funciona como mecanismo de
transporte electrónico y vincula entre si la
membrana interna, el Periplasma y la
membrana externa con el fin de transferir
los electrones de una sustancia que es
oxidada a otra que se reduce o acepta
electrones, por ejemplo: la bacteria
adquiere electrones de la materia orgánica
y los cede a un ión férrico Fe3+ (forma
insoluble) que se reduce en un ión ferroso Fe2+ (forma soluble). (Falcón, J., 2009)
Para obtener los electrones, utiliza la respiración e internamente aplica el ciclo
Krebs, una sucesión de reacciones químicas que oxidan completamente la materia
orgánica hasta producir dióxido de carbono, agua, energía en forma utilizable
(electrones) y ATP. Además, la red de Citocromos Tipo C actúa como un capacitor
almacenando energía para mantener la célula activa en su búsqueda de nuevos
aceptores de electrones.
El Geobacter es capaz de transformar internamente energía química en energía
eléctrica, transfiriendo los electrones derivados de la oxidación de compuestos
orgánicos (acetato) a electrodos y así constituir una celda de combustible
microbiana.
III. JUSTIFICACIÓN
La creciente poblacional incrementa la demanda de energía en el mundo; y el uso
excesivo de combustibles fósiles han provocado serios problemas de
contaminación ambiental y el calentamiento global de la tierra, así como la
escasez del petróleo que es un combustible no renovable y de uso primordial. Por
lo que en la actualidad, numerosos grupos de investigación a nivel mundial se han
6
enfocado en la búsqueda de fuentes alternas de energía que contribuyan de
manera sustentable a satisfacer la demanda.
Un punto importante que se debe tener en cuenta, en la búsqueda de fuentes
alternativas, es el relacionado con la cantidad de CO2 emitido a la atmósfera, ya
que algunas de ellas, como por ejemplo el proceso de combustión de los
hidrocarburos contenidos en el petróleo libera grandes cantidades de CO2,
favoreciendo problemas como el calentamiento global. Debido a lo anterior, se
busca que las nuevas tecnologías de producción de energía sean amigables con
el medio ambiente. En los últimos años se han desarrollado diversas tecnologías
que se enfocan en la utilización de la energía acumulada en la biomasa de
desechos, para ser redirigida a otras formas de energía que la humanidad pueda
utilizar como son: los biocombustibles y la bioelectricidad.
Las celdas de combustible microbianas (CCM) resultan ser una opción
prometedora para la generación de energía renovable que se pueda emplear
como electricidad.
IV. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
En México se generan alrededor de 250 m3/s, provenientes de los centros
urbanos, de los cuales 31.5% recibe tratamiento.
En 2004, del total de agua residual municipal tratada en las plantas para tal fin,
poco menos de la mitad recibió (43%) tratamiento por medio de lodos activados y
cerca de una quinta parte a través de lagunas de estabilización principalmente.
(INEG, 2004).
El proceso de lodos activados, es un alto consumidor de energía es necesaria
para la aeración del sistema. El proceso de lodos activos consume entre 40-70%
de la energía total de la depuradora.
Desde hace varios años se sabe que las bacterias pueden ser utilizadas para
generar electricidad. Es una gran alternativa llevar a cabo la degradación de la
materia orgánica presente en las aguas residuales con el propósito generar
electricidad. Se obtendría un proceso de depuración de agua residual
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completamente sustentable, mas aparte, una producción extra de energía
eléctrica.
V. HIPÓTESIS
Es posible la obtención de energía eléctrica a partir de una celda de combustible
microbiana (CCM), utilizando agua residual como portador de sustratos orgánicos
oxidables con la participación de geobacter; permitiendo que el proceso de
tratamiento de aguas residuales sea sustentable y productor de electricidad,
obteniendo una mayor eficiencia en comparación con agua residual sin ser
inoculada.
VI. OBJETIVOS
La construcción de una celda de combustible microbiana utilizando agua residual
como portador de sustratos orgánicos, oxidados por geobacter, produciendo ésta
bacteria electrones.
Evaluar el rendimiento de la misma tanto desde el punto de vista de la producción
de energía como de la depuración simultánea de las aguas residuales empleadas.
Comparación de la eficiencia de las celdas de combustible microbiana sin ser
inoculada e inoculada con geobacter, utilizando agua residual como portador de
sustratos orgánicos.
VII. METODOLOGÍA
VII.1. REACTIVOS E INSTRUMENTOS
REACTIVOS:
• Acetato de sodio NaCH3COO PM: 82.04 g/mol
• Óxido de hierro (III) Fe2O3 PM: 159.7 g/mol
• Agua destilada H2O PM: 18 g/mol
• Ácido sulfúrico H2SO4 PM: 98.08 g/mol
• Aire (gas) PM: 29 g/mol
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• Nitrógeno molecular N2 PM: 28.0134 g/mol
• Agua destilada H2O PM: 18 g/mol
• Sulfato de mercurio cristalizado HgSO4 PM: 296.68 g/mol
• Sulfato de plata cristalizado Ag2SO4 PM: 311.80 g/mol
• Sulfato de hierro FeSO4 PM: 151.908 g/mol
• Hidróxido de Amonio NH4OH PM: 35.04 g/mol
• Dicromato potásico K2Cr2O7 PM: 294.185 g/mol
• 1,10-fenantrolina C12H8N2 PM: 180.1 g/mol
*Todos los reactivos serán grado analítico.
INSTRUMENTOS:
• Voltímetro
VII.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Geobacter y sustrato
La bacteria geobacter se aislará de sedimentos de una profundidad
aproximadamente de 10 m. La muestra se cultivara en un medio altamente
enriquecido, durante la transferencia continua hasta lograr su aislamiento.
Medio que se utilizará: Bond y Lovley (2002) la siguiente composición (por litro).
o 0,1 gr de KCl
o 0,2 gr de NH4Cl
o 0,6 gr de NaH2PO4
o 10 ml de mezcla de vitaminas
o 10 ml de trazas de medio mineral.
El pH del medio será ajustado a 6,8. Además serán adicionados 2 gr de NaHCO3 y
el medio será gaseado con N2-CO2 (en una relación 80% y 20% respectivamente)
para remover el oxígeno antes de esterilizar el medio en frascos tapados. Como
donador de electrones se utilizaran, Acetato (5 mL).
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Para mantener las células viables, la muestra se cultivara en un medio
altamente enriquecido, durante la tranferencia continua hasta lograr su
aislamiento. El medio será de acetato (10 mM) y Fe (III)-óxido de (50 mM) e
incubando a 25 °C en condiciones anaerobias.
La identificación de geobacter se efectuara por por la identificación molecular
microbiana 16S. (Anexo 1)
Al agua residual se realizará previamente la prueba de DQO por el método del
dicromato potásico, para conocer la DQO antes y después del tratamiento (Anexo
2).
Construcción de celda de combustible microbiana con Geobacter. (CCM
geobacter).
La construcción de la CCM se hará en una cámara de vidrio con volumen de
trabajo, tanto del anolito como del catolito, de 350ml.
La celda CCM tendrá dos compartimientos, ánodo y cátodo, unidos por una
membrana intercambiadora de protones NafionR 117, película de 183μm
reforzada a base de un copolimero de PTFE (teflon)/acido perfluorosulfonico). La
membrana será activada antes de usar con H2SO4 1N 45oC por 24h.
El compartimiento del ánodo se burbujeará con N2 para desplazar el O2 presente
previo al cierre del ánodo. El electrodo a emplear serán gránulos de carbón
introducidos en la cámara anódica. Cerrando la cámara anódica con una tapa que
tenga fijada una varilla de grafito, asegurándose de que la varilla esté en contacto
con los gránulos de carbón. La solución anódica constará de agua residual en
presencia de geobacter previamente inoculado en condiciones anaerobias, se
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iniciaran las mediciones pasado el tiempo de latencia de geobacter al medio,
aproximadamente 48 horas.
En el compartimiento del cátodo se empleará una solución acuosa con burbujeo
de aire para utilización del O2 y como electrodo de carbón con Pt (0,5mg de Pt
10% por cm2).
Los electrodos se conectarán con alambre de cobre a un voltímetro para el
registro del voltaje. Se mantendrá la celda en agitación constante y a una
temperatura constante de 25°C. Los cambios en el sistema se monitorearan
mediante mediciones de voltaje generados por la CCM, utilizando un voltimetro
marca Steren.
Construcción de celda de combustible microbiana sin inoculación (CCM
blanco).
Se realizará el mismo procedimiento efectuado en la construcción de la CCM en
presencia de geobacter, sólo no se inoculara el agua residual con la bacteria.
Análisis fisicoquímicos
El consumo de la materia orgánica se evaluará a través de la DQO y el carbono
orgánico disuelto (COD). La cuantificación de la DQO se realizó según método del
dicromato potásico.
La demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro que mide la cantidad de
sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o
en suspensión en una muestra líquida. Se utilizará para medir el grado de
contaminación del agua residual antes y después del tratamiento; y se expresará
en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mgO2/l).
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Se realizará la toma 5 mL de muestra, de las dos celdas de combustibles
microbianas, a intervalos regulares de tiempo, cuidando de no introducir aire a la
cámara del ánodo.
Comparación de CCM con geobacter y CCM blanco
o S realizará un grafico contra el tiempo de operación contra la cantidad de
voltaje obtenido en ambas CCM
o Se realizara un grafico de tiempo de toma de muestra de cada una de las
CCM contra la DQO.
VIII. RESULTADOS ESPERADOS, POSIBLES APLICACIONES Y USO
DEL PROYECTO
Obtener una celda de combustible microbiana utilizando agua residual como
portador de sustratos orgánicos, oxidados por geobacter, generando
eficientemente electricidad al mismo tiempo que se lleva a cabo la degradación de
la materia orgánica presente en las aguas acompañado del proceso de remoción
de la demanda química de oxígeno (DQO), obteniéndose una mayor eficiencia
(producción de electricidad y la disminución DQO) en presencia de geobacter en la
CCM en comparación con la CCM blanco.
Este proyecto pretende lograr un beneficio económico como ambiente a nivel
nacional, convirtiendo el proceso de tratamiento de aguas en un proceso
sustentable al utilizar el agua residual en la obtención de energía eléctrica; este
método se pretende que sea obligatorio en cada planta de tratamiento de aguas
existentes a nivel nacional, lográndose con el apoyo de CONAGUA.
IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Barrios R. 2010. Bioconversión de residuos sólidos para la obtención de energía
(metano y electricidad) utilizando digestores anaerobios y celdas de combustible
12
microbianas. Tesis de maestria. Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional
Interdisciplinaria de Biotecnología.
Artículos consultados:
Alzate L. et al, “Generación de electricidad a partir de una celda de combustible
microbiana tipo Pem”. INTERCIENCIA, vol. 33 Nº 7 (2008).
Romero A., et al, “Bacterias, fuente de energía para el futuro”. Tecnurra, Vol.16
N°32 (2012), 118-143.
Falcón A. et al, “Bioelectricidad”. BioTecnología, vol. 13 N° 3 (2009).
Buitrón G. et al, “Producción de electricidad en celdas de combustible microbianas
utilizando agua residual: efecto de la distancia entre electrodos”. Revista
Especializada en Ciencias Químico-Biológicas. Vol. 14 N°1 (2011), 5-11.
Hernández F. et al, “Montaje y estudio de una pila de combustible microbiana para
la producción de electricidad con depuración simultánea”. Jornadas sobre la
enseñanza de las ciencias y las ingenierías. (2010).
Esteve A. et al. “Bacterias productoras de electricidad”. Actualidad SEM. Vol. 45
N° 34 (2008).
X. ANEXOS
X.1 ANEXO 1
Identificación Molecular de Gobacter
Se toma muestra del cultivo y se somete a centrifugación (4000 rpm). El botón
celular resultante se emplea para la extracción de DNA.
El DNA de cada uno de los aislados se extrae utilizando el kit “illustra tissue and
cells genomicPrep Mini Spin” (GE Healthcare) siguiendo el protocolo del
fabricante. La integridad y calidad del DNA se comprueba mediante electroforesis
en gel de agarosa al 1%.
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Posteriormente, se amplifica un fragmento de aproximadamente 1500 pb del gen
16S rRNA bacteriano utilizando oligonucleótidos universales para bacterias y
arqueas.
Los fragmentos obtenidos a partir del gel de agarosa se purifican utilizando el kit
“Zymoclean™ Gel DNA Recovery Kit” (Zymo Research), siguiendo las
instrucciones del fabricante con una modificación en la etapa final que consiste en
eluir el DNA dos veces con 6 µl de agua inyectable.
El DNA purificado se secuencia mediante el método de Sanger en el laboratorio
LANGEBIO de CINVESTAV, Irapuato. La secuenciación del DNA purificado se
realiza de manera automatizada con un secuenciador ABI PRISM 310 Genetic
Analyzer PE (Applied Biosystems). Se realizan reacciones de secuenciación para
cada una de las clonas previamente seleccionadas a partir del extremo 5’ y 3’ con
los mismos oligonucléotidos universales.
Las secuencias obtenidas de los aislados que presentan la actividad de
degradación de bifenilo se editan manualmente con el programa BioEdit y
posteriormente se sometien a una búsqueda de secuencias similares en GenBank
por medio del programa BLAST versión 2.2.3 en la página de la NCBI. Una vez
aproximada la identidad, las secuencias de organismos relacionadas se
seleccionan considerando los niveles jerárquicos y linaje taxonómico descrito en la
base de datos TaxBrowser del NCBI. Se realizara alineamientos múltiples de las
secuencias con el programa CLUSTAL X versión 2.0.1; con los parámetros
estándar. Los alineamientos se edita manualmente con el programa “Seaview”.Las
relaciones filogenéticas entre las secuencias se establecie por métodos de
distancia. Se emplea el modelo de sustitución nucleotídica Jukes Cantor que se
eligie considerando las frecuencias nucleotídicas determinadas con el programa
DAMBE; el índice de transiciones y transversiones se calcula con el programa
MEGA versión 4.1. Para obtener los árboles filogenéticos se emplea el programa
MEGA versión 4.1, se emplea el método de agrupamiento de UPGMA y se realiza
remuestreo tipo bootstrap con 1000 aleatorizaciones. Adicionalmente se construye
una matriz de similitud de identidad con el programa MatGat.
14
X.2 ANEXO 2
Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) por el método del
dicromato
MATERIAL
- Bureta de precisión de 10 ml de capacidad graduada en divisiones de 0,02 ml
- Matraces Erlenmeyer de 250 ml con boca esmerilada
- Refrigerantes Liebig con conexiones esmeriladas
- Pipetas.
- Matraces aforados.
- Vasos de precipitados, embudos, y otro material general de laboratorio.
El material de vidrio a utilizar deberá estar completamente limpio, debiendo
enjuagarse previamente a su utilización con agua desmineralizada, con la propia
muestra o con el reactivo a utilizar según sea el caso.
El material volumétrico a utilizar deberá ser siempre de clase A.
APARATOS
- Placas de calentamiento para llevar la muestra a ebullición en menos de 10 min.
REACTIVOS
- Agua desmineralizada
- Sulfato de mercurio (II).
- Dicromato potásico.
- Sulfato de hierro (II) y amonio
- Acido sulfúrico 98%
- Sulfato de hierro (II)
- 1-10 Fenantrolina monohidratada
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- Sulfato de plata.
- Ftalato ácido de potasio
*Todos los reactivos a utilizar deberán ser de grado analítico.
Preparación de disoluciones
Preparación de la disolución patrón de dicromato potásico 0,040 mol/l
Se disuelven 2,942 g de dicromato potásico (previamente desecado a 105º C
durante 2 h) en agua, se añaden con precaución 25 ml de ácido sulfúrico y se
enrasa a 250 ml.
Esta disolución es estable durante un mes.
Preparación de disolución patrón de sulfato de hierro (II) y amonio 0,12
mol/l
Se disuelven 11,75 g de sulfato de hierro (II) y amonio en agua. Se añaden 5 ml
de ácido sulfúrico, se deja enfriar y se enrasa a 250 ml.
Esta disolución debe ser valorada cada día de la siguiente forma:
Se diluyen 10 ml de solución patrón de dicromato potásico con aproximadamente
100 ml de ácido sulfúrico 1/3 (V/V) y se titula con esta disolución la solución de
sulfato de hierro (II) y amonio, en presencia de 2-3 gotas de ferroina como
indicador. La concentración, c, expresada en moles/l de la solución de sulfato de
hierro (II) y amonio se obtiene mediante la fórmula:
C=10 X 0.04 X 6V
=2.4V
donde V es el volumen, en mililitros, de la solución de solución de sulfato de hierro
(II) y amonio consumidos.
Preparación de la disolución de sulfato de plata en acido sulfúrico
Se disuelven 4 g de sulfato de plata en 10 ml de agua, se añaden 240 ml de ácido
Sulfúrico.
Preparación del indicador de ferroina
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Se disuelven 0,174 g de sulfato de hierro (II) heptahidratado en agua, se añaden
0,296 g de 1-10 fenantrolina monohidratada, se agita hasta disolución y se enrasa
a 25 ml.
Preparación de disolución patrón de ftalato ácido de potasio 2,0824 mmol/l
Se disuelven 0,042 g de ftalato ácido de potasio (previamente desecado a 105º C)
en agua y se enrasa la disolución a 100 ml.
Esta disolución permanece estable durante una semana conservada a 4ª C
Ensayo en blanco
Se realiza un ensayo en blanco al mismo tiempo que la determinación, siguiendo
el mismo procedimiento que en las muestras, pero reemplazando éstas por 10 ml
de agua destilada.
Ensayo testigo
Se comprueba la técnica y la pureza de los reactivos utilizados para el análisis
siguiendo el mismo proceso que en las muestras, pero utilizando en lugar de éstas
10 ml de la solución patrón de ftalato ácido de potasio.
La demanda teórica de oxígeno de esta solución es de 500 mg/l. El procedimiento
experimental es satisfactorio si se obtiene como mínimo el 96% de este valor.
Determinación
Se ponen 10 ml de la muestra a analizar en un matraz Erlenmeyer de 250 ml, se
añaden 0,4 g de sulfato de mercurio (II) y se agita cuidadosamente. Se añaden 5
ml de solución patrón de dicromato potásico y se homogeneiza. Se añaden 15 ml
de sulfato de plata - ácido sulfúrico, agitando con cuidado y enfriando con agua o
en un baño de hielo para evitar la pérdida de sustancias orgánicas volátiles. Una
agitación inadecuada puede producir un calentamiento localizado en al base del
recipiente y provocar la expulsión de la mezcla.
Se une el matraz al refrigerante y se hierve a reflujo durante 2 horas. Se deja
enfriar y se lava la pared interna del refrigerante dentro del recipiente con un
volumen pequeño de agua destilada.
Se separa el matraz del refrigerante, se diluye la mezcla con 75 ml de agua
destilada y se enfría a temperatura ambiente.
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Se valora el exceso de dicromato con la solución patrón de sulfato de hierro (II) y
amonio en presencia de 1 ó 2 gotas de ferroina.
Se señala como punto de virado el cambio brusco de color del verde azulado al
rojo violeta, aunque pueda reaparecer el color verde al cabo de unos minutos.
CÁLCULOS
La demanda química de oxígeno, DQO, expresada en miligramos de oxígeno por
litro, se calcula por medio de la siguiente expresión:
DQO=800c (V 1−V 2)
V 0
Donde:
C es la concentración expresada en moles por litro de la solución de sulfato de
hierro (II) y amonio calculada según el procedimiento descrito en 6.1.2., V0 es el
volumen en mililitros de la muestra utilizada, V1 es el volumen en mililitros de la
solución de sulfato de hierro (II) y amonio utilizada para el ensayo en blanco y V2
es el volumen en mililitros de la solución de sulfato de hierro (II) y amonio utilizada
para la determinación.
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