Fabricación de barreras hidrofóbicas a partir de residuos de aceite de palma y borosilicato como alternativa para optimizar el uso de agua de lluvia

Proyecto de Graduación (Licenciatura en Ingeniería Ambiental) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Química, 2021.

Esta tesis cumple con el Objetivo ODS 12: Garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles. Meta 5 Disminuir considerablemente la generación de desechos mediante actividades de prevención, reducción, reciclado y reutilización.

Este trabajo pretende presentar posibles soluciones para la gestión de residuos sólidos y mitigar el déficit hídrico en sitios que no cuentan con una red de suministro, como en la Isla Caballo, Puntarenas. Para ello se estudiaron arenas hidrofóbicas, las cuales tienen poca área superficial, por lo que pueden ser fácilmente recubiertas por materiales hidrofóbicos. Esto provoca una disminución en su capacidad de infiltración y una menor retención de humedad haciéndolos materiales con potencial para la construcción de barreras capilares hidrofóbicas como alternativa para geotextiles. Por lo anterior, se fabricaron arenas hidrofóbicas con un enfoque en el uso de materias primas locales disponibles, de bajo costo y que actualmente no se aprovechan. Se utilizó cristalería dañada de laboratorio como fuente de vidrio borosilicato y se molió para obtener una arena sintética con un diámetro entre 106 µm y 210 µm. Asimismo, se realizó una extracción líquido sólido del lodo residual de la producción de palma aceitera como fuente de grasa (GLAP). Se recubrió la arena producida con GLAP, utilizando dos metodologías distintas: mediante mezclado (LP-M) y mediante disolvente (LP-D). Se realizaron pruebas de ángulo de contacto a concentraciones de 0,1 g/kg, 0,3 g/kg, 0,6 g/kg, 1 g/kg, 1,3 g/kg y 1,6 g/kg; a grados de compactación de 1,2 g/cm3 y 1,3 g/cm3 ; en arenas secas al aire y secas a 105°C; comparando los resultados obtenidos de arenas recubiertas de ácido esteárico (AE) como referencia. Posteriormente, se realizaron pruebas hidráulicas en las arenas hidrofóbicas y en muestras empacadas con suelo de Isla Caballo. Se obtuvieron ángulos de contacto máximos de 119,73°, 118,83° y 107,48° para LP-M, LP-D y AE, respectivamente. Los resultados de las pruebas hidráulicas de las arenas mostraron una reducción en la conductividad hidráulica saturada, donde la arena sin recubrimiento obtuvo un valor de 170,5 cm/h mientras que LP-D y AE, de 4,5 cm/h y 3,4 cm/h, respectivamente. Adicionalmente, se realizó un estudio de las condiciones climáticas de la isla utilizando datos de los últimos 5 años provenientes de estaciones meteorológicas cercanas, del IMN. A partir de los datos se encontraron dos fechas con precipitaciones efectivas aptas para recolectar agua de lluvia: mayo y junio; y setiembre y octubre. Mediante un balance simulado con Hydrus 1D, se determinó que la cantidad de lluvia que podría ser interceptada en un año se encuentra entre 764 L/m2 y 767 L/m2 . Los resultados obtenidos son prometedores para el manejo de residuos sólidos y el aprovechamiento de agua de lluvia en Isla Caballo mediante arenas hidrofóbicas en barreras capilares hidrofóbicas.

This study aims to present possible solutions for waste management and mitigation of water deficit in areas with no water distribution, for example, Isla Caballo, Puntarenas. Hydrophobic sands have low surface area, therefore can be easily coated by hydrophobic materials. This causes a reduction in its infiltration rate as well as a lower water retention capacity, making these potential materials for building hydrophobic capillary barriers, as an alternative to geotextiles. Moreover, this study manufactured hydrophobic sands using locally available, low-cost materials, which are currently discarded. Laboratory glass waste was used as a source of borosilicate glass, which was later crushed in order to produce synthetic sands with diameter range between 106 µm and 210 µm. Furthermore, a liquid-solid extraction was applied to residual sludge from the production of palm oil as a source of fat (GLAP). The sand was coated with GLAP through two methods: mixing (LP-M) and solvent-aided (LP-D). Contact angle measurements were performed at coating concentrations of 0,1 g/kg, 0,3 g/kg, 0,6 g/kg, 1 g/kg, 1,3 g/kg and 1,6 g/kg; at 1,2 g/cm3 y 1,3 g/cm3 compaction levels; on air-dry sand and sand dried at 105 °C. Its results were compared to stearic acid coating (AE) as a reference. Subsequently, hydraulic properties of the sands and packed soil from Isla Caballo were measured. Maximum contact angles for LP-M, LP-D and AE were 119,73°, 118,83° and 107,48°, respectively. The results of the hydraulic measurements revealed a reduction in saturated hydraulic conductivity: sands with no coating were at 170,5 cm/h, whereas LP-D and AE were at 4,5 cm/h and 3,4 cm/h, respectively. In addition, the meteorological conditions of the island were studied using data from the last 5 years, from nearby IMN meteorological stations. The data showed there are two periods with apt effective precipitation to harvest water: May to June and September to October. Through a simulated water balance using Hydrus 1D, a total amount of rainwater that could be intercepted was calculated to be around 764 L/m2 y 767 L/m2 . The results indicate that the use of these hydrophobic sands in hydrophobic capillary barriers are a promising for waste management and water harnessing in Isla Caballo.