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05 - El tratamiento de aguas residuales, un ejemplo de aproximación de ABP

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PAPIME 2014

on 23 September 2015

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Transcript of 05 - El tratamiento de aguas residuales, un ejemplo de aproximación de ABP

El tratamiento de aguas residuales,
un ejemplo de aproximación de ABP (aprendizaje basado en problemas) para el laboratorio Unificado de Fisicoquímica (LUF)

El Problema
El agua es el núcleo del desarrollo sostenible y el acceso a la misma es un problema de ‘dimensión planetaria’ que dicta la necesidad de proponer soluciones locales con impacto global. Resolver el problema del acceso solo se perfila al solucionar tres grandes problemas de los recursos hídricos:
Preguntas
El agua y el aceite normalmente no se mezclan ¿qué ha pasado en esta situación?

Objetivos Generales del LUF
Proveer oportunidades de aprendizaje que ayuden a los estudiantes a adquirir habilidades de alto nivel cognitivo, como son: aprender a investigar, construir afirmaciones científicas, y a justificar dichas afirmaciones.
Qué se evalúa
Enseñanza tradicional
Evaluación
La Rúbrica
Propuesta de pasos a seguir para aplicar el ABP en el laboratorio de fisicoquímica
Características
Laboratorio independiente con créditos propios, que unifica el trabajo experimental de fenómenos de superficie, electroquímica y cinética química y catálisis. Ubicado después de todas las asignaturas de fisicoquímica, pero no está seriado.
La propuesta de procedimientos experimentales que comprueban la hipótesis
Para la carrera de Ingeniería
4 créditos (4horas a la semana/16 semanas)
6º semestre

Para la carrera de Química
8 créditos (8horas a la semana, en dos sesiones de 4 horas/16 semanas)
7º semestre

Fomentar la adquisición de valores y actitudes científicas, en particular que aprenda a trabajar en equipo de forma colaborativa.
Promover en el estudiante el desarrollo de su pensamiento crítico para resolver problemas reales en Fisicoquímica
Escasez

Sobreexplotación

Contaminación
tratamiento de aguas residuales –por métodos fisicoquímicos.
Resuelto para el profesor pero aún desconocido para los alumnos.
Es auténtico, lo que permite concederle una dimensión afectiva para incentivar al alumno.

El problema se puede acotar más -lo que implica más control del profesor pero menos opciones para los alumnos
Se tiene agua residual proveniente de cocinas, para ser tratada por métodos fisicoquímicos. El aceite vegetal y las grasas son los principales contaminantes.
O puede hacerse más abierto
Se propone el tratamiento fisicoquímico de aguas grises.
O hacerse completamente abierto
Se propone el tratamiento fisicoquímico de aguas residuales
Los alumnos tiene una gama muy amplia de posibilidades, y el profesor debe cuidar que puedan acotar su propuesta con éxito.
¿Existirá un método de tratamiento donde el reactivo sea provisto de forma controlada?

¿Cómo podría tratarse esta agua residual?

Procesos de tratamiento de aguas residuales
Homogeneización
Neutralización
Ajuste pH
Coagulación-floc.
Sedimentación
Flotación
Desarenado
Filtración

Solidos en suspensión
Materia coloidal
Aceites y grasas
Metales
Ácidos y Bases
Biológicos

Lodos activados
Filtros activados
Lagunaje
Digestión anaerobia
Materia Orgánica
Biodegradable
Procesos de membrana
Microfiltración
Ultrafiltración
Ósmosis inversa
Electrodiálisis
Pervaporación
Interc. Iónico
Adsorción C.A.
Procesos redox
Precipitación quím.
Sales disueltas
Microcontaminantes
Afino de la depuración
PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO
TRATAMIENTO SECUNDARIO
TRATAMIENTO TERCIARIO
1) El profesor presenta el problema.
Tratamiento de aguas residuales
2) Se forman equipos de tres alumnos.
3) Los alumnos discuten con los pares y con el profesor acerca de lo que se entiende del problema.
4) Los equipos identifican contenidos a investigar, ya sea para recuperar o actualizar el conocimiento, o por el desconocimiento de los conceptos involucrados.
5) Ejecutan la búsqueda documental.
Floculación
Coagulación
Sedimentación
Procesos de membrana
6) Los alumnos plantean al equipo lo que encuentran de interesante del problema.
7) Los equipos reformulan el problema desde su perspectiva motivacional particular.
8) Cada equipo presenta los objetivos generales de su reconstrucción del problema, para discutirlos en el grupo, y a partir de ellos, proponen ahora su hipótesis experimental.
Para construir la hipótesis experimental
9) La hipótesis experimental es discutida de nuevo en el grupo, hasta reconocer si:
a) cumple con los requisitos de ser una hipótesis

b) de que se puede realizar en el laboratorio con el equipo y material disponible

c) y que se puede completar en el tiempo del curso.
10) Esto convierte al problema planteado inicialmente por el profesor, en un nuevo problema, personalizado para cada equipo.
11) Se plantea el desarrollo experimental.
12) Se construyen los problemas particulares que se necesitan jerárquicamente para resolver el problema planteado por el equipo. Esto incluye:
a) instrumentación de métodos
b) y manejo de equipo.

13) Se generan nuevas preguntas con respecto a:
a) conceptos,
b) métodos y
c) manejo de equipo.
14) Se hacen los manuales de operación rápida para los equipos a usar.
15) Se pone en práctica el método experimental diseñado. Los alumnos se enfrentan con la realidad del laboratorio, y nuevamente surgen preguntas en cuanto a métodos –por ejemplo para elaborar soluciones, o bien para cambiar los ensayos por métodos menos complejos, o más precisos. Significa poner otra vez en tela de juicio:
a) su problema en general,
b) su hipótesis experimental
c) y su desarrollo experimental.
16) Se efectúa el trabajo experimental,
y se empieza a discutir resultados.
17) Se pide a los equipos un avance o reporte final (el avance es a medio semestre y el reporte es en la última semana) del trabajo experimental para poner en evidencia habilidades de comunicación escrita y oral, además de empezar a organizar el trabajo de manera coherente.
18) Se hacen recomendaciones por parte del tutor y de los otros equipos.
19) Se elabora el reporte del trabajo experimental en formato de artículo y de poster. Para esta actividad se tienen varios pasos:
19.1 Buscar los lineamientos de presentación para los formatos respectivos
19.2 Redacción de los contenidos en formato apropiado.
19.3 Hacer uso apropiado del referenciado
19.4 Elaboración de figuras de explicación y de presentación de resultados que contienen tablas, gráficas, imágenes, diagramas de flujo, etcétera.
19.5 Concluir
19.6 Se proponen nuevas pruebas que podrían contribuir a la investigación.
19.7 Poner las referencias en el formato correcto
B. Permite que los alumnos se apropien del problema, identificando lo que les interesa del mismo. Ellos planean la investigación a partir de sus motivaciones personales.
C. No se sigue un índice temático disciplinar predeterminado y exhaustivo, sino que se produce conocimiento a partir de los diferentes niveles en los que se resuelve el problema.
D. Éste método de trabajo posibilita que aún los alumnos que no han cursado la teoría, pueden enfrentarse al laboratorio satisfactoriamente.
E. Se desarrolla dentro de un universo cerrado de conceptos y métodos.
Es autocontenido
.
F. Privilegia el desarrollo de habilidades en los alumnos para identificar los objetos de búsqueda documental a partir de reconocer lo que se sabe, lo que no, y lo que se necesita para llegar a plantear un abordaje experimental específico
G. El problema planteado por el profesor es bien conocido, con suficiente información documental como para que no se convierta en un proyecto abierto. En este sentido, el profesor siempre sabe lo que está sucediendo con el experimento, y puede guiar a los alumnos hacia soluciones satisfactorias.
Características principales del ambiente de ABP aplicado al LUF
A. El problema planteado está relacionado con la vida cotidiana, y representa un reto interesante – por parte del alumno- para la construcción de conocimiento.
H. Se sigue un método general de aproximación científica experimental, que es autorregulable y que funciona para cualquier disciplina.
Con el problema “el tratamiento de aguas grises de lavanderías”, los alumnos:
• descubren en la literatura que para asegurar la calidad debe determinarse la turbidez del agua
• surge la necesidad de habilitar la técnica de turbidimetría
• se investiga el o los conceptos relacionados a ella –turbidez, emulsiones estables, tensoactivos, etcétera
• se le incorpora en el procedimiento experimental haciendo una predicción de resultados basada en lo que se ha investigado al respecto.
Algunos ejemplos de rediseño de problema
Opción tecnológica electroquímica para el tratamiento de aguas residuales grises
la electrocoagulación
Conceptos a considerar para el planteamiento de un problema de electrocoagulación
Se utiliza en aguas residuales contaminadas con tensoactivos y residuos orgánicos, como aceites o grasas, que pueden formar emulsiones muy estables.
Se sugiere orientar a los alumnos para que consulten las normas ambientales del agua, y vayan descubriendo allí las propiedades importantes a determinar para diferentes calidades del agua.
Los coagulantes que se utilizan son principalmente sales de hierro y aluminio, en donde los cationes polivalentes provocan procesos de desestabilización de la doble capa de los coloides formados por los sistemas agua-aceite-tensoactivo.
El coagulante es generado in situ –únicamente el catión polivalente, en una proporción que se puede ir regulando a través de los parámetros controlados de una celda electrolítica. Esto es, a través de la oxidación de un electrodo de Al o de Fe, que funciona como ánodo, se generan los iones de Al3+ o de Fe2+ -que pasa a Fe3+ por la acción del oxígeno disuelto en el agua.
Para saber las condiciones iniciales de pH que sería conveniente trabajar, se sugieren diagrama de predominio de especies como el pH-E.
El flóculo puede precipitar o ser arrastrado a la superficie por las burbujas de gas hidrógeno formado en el cátodo del sistema (electroflotación).
El hidrógeno generado catódicamente es el responsable de que el pH aumente y propicie la formación de los hidróxidos metálicos, de tal forma que tampoco se tienen que agregar reactivos para ajustar el pH.
Se hace el seguimiento de la remoción de contaminantes –cinética física- por distintos métodos simples, dependiendo del tipo de sistema que se haya escogido.
Ventajas
frente a la floculación coagulación por adición de sales
Cantidad de reactivos muy baja o nula
Para asegurar la calidad
del tratamiento del agua se involucra a una gran cantidad de disciplinas de la fisicoquímica, así como de otras ramas de la química, como son:
(NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-127-SSA1-1994, "SALUD AMBIENTAL, AGUA PARA USO Y CONSUMO HUMANO - LIMITES PERMISIBLES DE CALIDAD Y TRATAMIENTOS A QUE DEBE SOMETERSE EL AGUA PARA SU POTABILIZACION".)
Involucra también aproximarse al mundo de las normas ambientales y al entendimiento de las mismas no como una serie de recetas a seguir, sino como métodos con protocolos reproducibles establecidos por profesionales de la disciplina y que pueden ser modificadas para mejorarlas.
Efecto de los cationes polivalentes en la doble capa eléctrica
Los coloides se aglomeran y, junto a las especies básicas insolubles de los cationes metálicos que se forman al cambiar el pH del sistema, forman flóculos sobre los que se adsorben las sustancias orgánicas e inorgánicas.
Oxidación:
Al - 3e
-
Al
3+
Reducción:
2 H O + 2e
2
2 OH + H
-
2
Reacciones en la celda de electrólisis, dependiendo del coagulante elegido, el suministro de iones polivalentes está dado por la oxidación en el ánodo:
Para ánodo de Fe:
4 Fe 4 Fe + 8e
(s)
2+ -
4 Fe + 10 H O + O 4 Fe(OH) + 8 H
2+
2
2
+
En el cátodo (ej. Grafito):
8 H + 8 e 4 H
+ -
2
4 Fe + 10 H O + O 4 Fe(OH) + 4 H
2 2 3 2
Reacción global:
Si el ánodo es de Aluminio la reacción es:
Al Al + 3 e
3+ -
Al + 3 H O Al(OH) + 3 H
3+ +
2 3
n Al(OH) Al (OH)
3 n 3n
En el cátodo (ej. Grafito):
3 H O + 3 e 3 H + 3 OH
2 2
- -
Ejemplo de una celda construida por alumnos
3 H O + 3 e 3 H + 3 OH
2 2
- -
El más común es por turbidimetría, dada la turbidez del agua gris.
Espectrofotometría si es colorida y se ha filtrado.
Por métodos de análisis químicos, que podrían incluir titulaciones ácido-base clásicas o por conductimetría
Por tensión superficial
menos lodos que en
la coagulación normal
Se elimina la materia orgánica efectivamente
Altas eficiencias en corriente
El tratamiento se consigue en tiempos más cortos que en otros métodos
Se pueden tratar coloides poco cargados
Costos menores donde la electricidad es económica
Los fenómenos de superficie
La electroquímica
La cinética química y la catálisis
La termodinámica y el equilibrio (físico y químico)
La espectroscopia de UV-Visible
La electroanalítica
Diseño de reactores
Momentos en la evolución de un grupo ABP
Etapa de inicio
Alumnos con desconfianza y dificultad para entender y asumir el rol. Resistencia a iniciar el trabajo.
Segunda etapa
Los alumnos presentan cierto nivel de ansiedad, sienten que no avanzan y consideran que la metodología del ABP no tiene una estructura definida.
Tercera etapa
Los alumnos valoran su trabajo. Toman conciencia de la posibilidad de hacerse responsables de su propio aprendizaje. Desarrollan la habilidad de discernir información.
Cuarta etapa
Seguridad y autosuficiencia en el grupo. Congruencia entre actividades y objetivos.
Quinta etapa
Etapa más productiva.
Los alumnos han entendido su rol y el del tutor. Han integrado la forma de trabajo a otras experiencias de trabajo formal.
No se trabaja como equipo y se dificulta distinguir entre el problema y los objetivos.
Intercambio fluido de información y efectiva resolución de conflictos.
Significado de valoraciones
6 – Los alumnos requieren mucha ayuda del profesor
8 – Los alumnos requieren ayuda regular del profesor
10 - Los alumnos requieren poca o ninguna ayuda del profesor

Documentos a colectar como productos finales
1. Artículo y/o póster
2. Presentación final en pptx
3. Manuales de operación rápida
4. Bitácora (se devuelve al alumno)

Conceptos (parte discursiva):
capacidad de memorización
En el reporte de práctica:
Capacidad para llenar correctamente los espacios en blanco
Enseñanza constructivista
contenido conceptual, procedimental y actitudinal
proceso
de adquisición del
contenido procedimental
dirige
tipo de profundidad de los
tipo y naturaleza de las
conocimientos
actitudes
pondrá en evidencia
la adquisición de habilidades cognitivas adquiridas por los alumnos
Se puede evaluar el éxito en aprendizaje
Reflexionan en el proceso de aprendizaje
(metacognición)

¿Se modificaron los esquemas de pensamiento?
¿Fue necesario adquirir nuevo conocimiento o aplicar una técnica particular?
¿Se necesitó una actitud específica?
PROYECTO PAPIME
PE200512

Presentación elaborada por:
Claudia Patricia Miranda Cantón
Brandon Meza González

Título del proyecto:
Recuperación ambiental por medio de tratamientos electroquímicos

Responsable: Aurora de los Ángeles Ramos Mejia
Corresponsable: Carlos Mauricio Castro Acuña
Facultad de Química
UNAM
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