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(Una organización certificada ISO 3297: 2007)
vol. 3, número 2, febrero de 2014
Tecnologías convencionales a de vanguardia en la
purificación de agua potable: una revisión
K. Padmaja1, Jyotsna Cherukuri2*, M.Anji Reddy3
Profesor Asistente, Departamento de Humanidades y Ciencias, VNR.Vignana Jyothi Instituto de Ingeniería y
Tecnología, Hyderabad, Andhra Pradesh, India1.
Profesor Asociado, Departamento de Humanidades y Ciencias, VNR.Vignana Jyothi Instituto de Ingeniería y
Tecnología, Hyderabad, Andhra Pradesh, India2*.
Profesor, Instituto de Ciencia y Tecnología, Centro para el Medio Ambiente, Universidad Tecnológica Jawaharlal Nehru,
Hyderabad, Andhra Pradesh, India3.
* autor corresponsal
Resumen: El agua es el líquido más ubicuo en nuestro planeta que es precioso y vital para todas las formas de vida. El
crecimiento de la industrialización, la urbanización y una serie de actividades antropogénicas ha hecho que el agua
potable sea vulnerable y plantea un desafío para la purificación del agua potable. En este artículo se presenta una
revisión de varios métodos de purificación, comenzando con los métodos convencionales como carbón activado,
alúmina activada, sílice, tierra de diatomeas, etc. hasta las últimas técnicas que utilizan nanomateriales, nanotubos de
carbono y nanocompuestos. Se citan técnicas innovadoras como películas delgadas, puntos cuánticos y aerogeles en la
purificación del agua potable. Como cada método tiene sus propias ventajas y limitaciones en términos de eliminación
de contaminantes,
Palabras clave: Adsorbentes, carbón activado, diatomeas, nanomateriales, nanotubos de carbono, nanocompuestos, películas delgadas, puntos
cuánticos.
YoNTRODUCCIÓN
El agua siempre ha sido una bebida importante y vital para los humanos y es esencial para la supervivencia de todos los organismos
conocidos. Aunque el agua está disponible en abundancia, en el escenario actual, la disponibilidad de agua potable pura se ha
convertido en un bien escaso que se atribuye a una serie de razones conocidas.
Uno de los problemas más persistentes que afectan a las personas en todo el mundo es el acceso insuficiente al agua potable y al saneamiento.
Cada año, alrededor de 3,6 millones de personas mueren a causa de problemas relacionados con el agua contaminada, la falta de higiene y las
condiciones insalubres. Si esos hogares, que corren mayor riesgo, pudieran tener acceso a agua potable segura, se podrían salvar más de 2
millones de vidas. Se espera que los problemas con el agua empeoren en las próximas décadas, debido al impacto de la creciente industrialización
y urbanización. Esto está provocando escasez de agua a nivel mundial, incluso en regiones que actualmente se consideran ricas en agua. Para
abordar estos problemas, se debe realizar una gran cantidad de investigación para identificar nuevos métodos sólidos de purificación de agua a
un costo más bajo y con menos energía, al mismo tiempo que se minimiza el uso de productos químicos y el impacto en el medio ambiente.
Debido a las mayores posibilidades de contaminación del agua en los sistemas de suministro, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA)
está evaluando el uso de una serie de conceptos centralizados de tratamiento de agua como "tecnología de cumplimiento de sistemas
pequeños" (USEPA, 1998). Estos incluyen plantas de tratamiento de paquete (es decir, sistemas de tratamiento de agua compactos y listos para
usar ensamblados en fábrica), unidades de tratamiento de punto de entrada (POE) y punto de uso (POU) diseñadas para procesar pequeñas
cantidades de agua que ingresan a una unidad determinada (por ejemplo, edificio, oficina, hogar, etc.) o un grifo/grifo específico dentro de la
unidad [1]. La purificación del agua implica la eliminación de parásitos, bacterias, algas, virus, hongos, minerales (incluidos metales tóxicos como
plomo, cobre, arsénico, etc.) y contaminantes químicos creados por el hombre. Muchos contaminantes pueden ser peligrosos, pero dependiendo
de los estándares de calidad, otros se eliminan para mejorar el olor, el sabor y la apariencia del agua. En este artículo se destaca una revisión de
varias tecnologías empleadas para mejorar la calidad del agua potable.
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I1 VISIÓN GENERAL DE LOS MÉTODOS DE PURIFICACIÓN
El tratamiento de agua convencional puede incluir la adición de productos químicos, la coagulación, la floculación, la sedimentación, la filtración y
la desinfección, generalmente con cloro [2]. Las tecnologías de tratamiento de agua potable utilizadas en la mayoría de los sistemas incluyen uno
o más de los procesos que utilizan una amplia gama de adsorbentes, filtración técnicas, métodos eléctricos y de desinfección, y las últimas
tecnologías que involucran nanomateriales, nanotubos de carbono, nanocompuestos, etc., como se indica en la tabla 1.
Tabla 1. Diversas técnicas de potabilización de agua:
Adsorbente
materiales
Tierra de diatomeas
Eléctrico
Filtración
Técnicas
Filtración por membrana
Técnicas
Electrocoagulación
Zeolitas
una. Microfiltración
Electrodiálisis
Carbón activado
b.Ultra filtración
alúmina activada
C. Nanofiltración
Desinfección
Técnicas
Químico
Polímero y
Nanotecnología
Intercambio iónico
tratamiento
Ozonización
nanomateriales
Electro flotación
Ultravioleta
radiación
Nanotubos de carbon
método electroquímico
Energía solar
Nanocompuestos
hidróxido férrico
d. Osmosis inversa
-
sonicación
Peliculas delgadas
Cerámica
Destilación por membrana
-
Fotocatálisis
Puntos cuánticos
-
Aerogeles, Chalcogeles
-
-
-
Todos los métodos anteriores se pueden utilizar con eficacia en la purificación del agua potable. Como cada método se puede utilizar para la
separación de uno o unos pocos componentes, no se puede emplear un método particular para el tratamiento completo del agua potable. Las
últimas investigaciones incluyen el uso de biomasa como cáscaras de plátano, manzana, tomate, etc. en la purificación del agua. A continuación se
enumeran varios métodos de purificación de agua potable, sus ventajas, desventajas y su uso en tecnología de última generación.
Adsorbentes:
Los métodos convencionales de purificación de agua potable implican una serie de adsorbentes, la mayoría de los cuales son materiales
naturales. 1.1Tierra de diatomeasodiatomitaes una roca sedimentaria silícea blanda, natural, formada por la deposición de algas unicelulares de
caparazón duro llamadas diatomeas. El tamaño de partícula varía de 10 a 200 micrómetros. El uso importante de la tierra de diatomeas es para
filtrar agua, particularmente en el proceso de tratamiento de agua potable. Tiene un buen desempeño en aguas subterráneas con alta
concentración de hierro y manganeso y en aguas superficiales con baja turbidez del afluente, color aceptable y niveles bacterianos. La filtración a
través de tierra de diatomeas recubierta con polielectrolito catiónico da como resultado una eliminación significativa del virus [3].
Los filtros Zeta Plus compuestos de mezclas de resina de "carga modificada" de celulosa y tierra de diatomeas y que tienen una carga neta positiva
adsorbieron eficientemente el virus de la poliomielitis del agua del grifo a niveles de pH ambientales de 7,0 a 7,5[4]. Aunque la diatomita es un
buen adsorbente, la única desventaja de es un mayor riesgo de silicosis entre los trabajadores de la industria de crsistobalite DE que están
expuestos a altos niveles de sílice cristalina en el aire durante décadas.
1.2 Zeolitas-Otro material natural utilizado en la purificación del agua son las zeolitas, que son minerales de aluminosilicato microporosos
conocidos comúnmente como "tamices moleculares". Su abundancia y bajo costo es una ventaja adicional. Varias zeolitas naturales de todo el
mundo han mostrado una capacidad variable de intercambio de iones para cationes como amonio y iones de metales pesados y también aniones
y compuestos orgánicos de soluciones acuosas. La modificación de las zeolitas naturales se puede realizar mediante varios métodos, como el
tratamiento con ácido, el intercambio iónico y la funcionalización del surfactante, lo que les permite lograr una mayor capacidad de adsorción de
compuestos orgánicos y aniones [5].
Las zeolitas sintéticas son ampliamente utilizadas en la purificación de agua. Estas zeolitas se utilizan como lechos de intercambio iónico en la
purificación y el ablandamiento de agua doméstica y comercial, y en otras aplicaciones en las que pueden pasar moléculas de ciertos tamaños y
formas reteniendo los contaminantes.
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1.3 Carbón activadoes el adsorbente más utilizado en la purificación del agua. Los métodos convencionales de tratamiento
centralizado de agua utilizan carbón activado hecho de carbón, madera o cáscara de coco. La cáscara de coco es la forma más
costosa y efectiva. El carbón se “activa” al agregar una carga positiva, lo que mejora la adsorción y la reducción de
contaminantes que tienen una carga negativa. Las tres formas de carbón activado utilizadas en los sistemas de filtración de
agua son carbón activado granulado (GAC), bloque de carbón activado y carbón catalítico. El carbón activado elimina las
impurezas, los productos químicos y los contaminantes del agua mediante la adsorción y un proceso llamado reducción
catalítica. Los contaminantes eliminados incluyen compuestos orgánicos volátiles (COV), herbicidas, pesticidas, cloro, radón,
plomo y la mayoría de los productos químicos artificiales. El carbón activado no es eficaz para eliminar metales pesados,
En los filtros de agua que usan carbón, las características del material de carbón (tamaño de partículas y poros, área superficial, química
superficial, densidad y dureza) influyen en la eficiencia de la adsorción [6]. Este tratamiento puede producir agua de una calidad más
deseable que la de algunos suministros públicos o privados.
El material en un cartucho de carbón activado proporciona una superficie de crecimiento para bacterias que pueden ser un peligro
potencial para la salud. La infusión de compuestos como la plata puede prevenir el crecimiento bacteriano en la superficie de carbono. El
radón, que es una de las causas del cáncer de pulmón, es un producto de la descomposición radiactiva del uranio natural que se mueve
a través del suelo y las rocas hacia las aguas subterráneas o ingresa a un edificio a través de grietas o aberturas en los cimientos. El
radón se elimina del agua mediante carbón activado granular. El carbón, que es eficaz durante muchos años, retiene el radón hasta que
se descompone en un compuesto no radiactivo [7]. El carbón catalítico, un nuevo producto de carbón activado avanzado, está diseñado
para adsorber cloraminas, una alternativa al cloro diseñada para inhibir la formación de sustancias cancerígenas. trihalometanos (THM)
causados por la interacción del cloro con materiales vegetales orgánicos.Aunque el carbón activado es un método tradicional de
purificación de agua, es el método más utilizado y considerado muy eficaz.
1.4 Alúmina activadaes una forma de óxido de aluminio altamente porosa y de gran área superficial que tiene un área
superficial significativamente superior a 200 metros cuadrados/g. Se utiliza como filtro de fluoruro, arsénico y selenio en agua
potable. El exceso de fluoruro (>1,5 mg/l) en el agua potable es perjudicial para la salud humana. Los filtros de alúmina activada
pueden reducir fácilmente los niveles de fluoruro de 0,5 ppm a menos de 0,1 ppm [8]. La cantidad de fluoruro lixiviado del agua
depende del tiempo de contacto del agua y el medio filtrante de alúmina. Básicamente, cuanto más alúmina haya en el filtro,
menos fluoruro habrá en el agua filtrada final. El agua de temperatura más baja y el agua de pH más bajo (agua ácida) también
se filtran de manera más efectiva. El pH ideal para el tratamiento es 5,5, lo que permite una tasa de eliminación de hasta el 95
%. Tripathi, Jean y Gopal han investigado la capacidad de la alúmina activada impregnada con alumbre (AIAA) para eliminar el
fluoruro del agua a través de la adsorción. 3 h, dosis de 8 g/l, cuando hay 20 mg/l de fluoruro en 50 ml de agua. El análisis de
energía dispersiva de rayos X muestra que la absorción de fluoruro en la interfase AIAA/agua se debe únicamente a la
precipitación superficial [9].
1.5 Hidróxido férrico granulado(GFH)es un método importante en la eliminación de arsénico [10]. La contaminación por arsénico de las
aguas superficiales y subterráneas se informa en muchas partes del mundo y se considera un problema mundial. El arsénico ingresa a
los acuíferos y pozos a través de procesos naturales, y al ciclo del agua debido a actividades antrópicas. La adsorción de óxido de hierro
es un proceso de tratamiento de agua que se utiliza para eliminar el arsénico del agua potable, lo que implica la adsorción de especies
de arsénico en óxidos de hierro. La ingestión de arsénico inorgánico puede provocar tanto cáncer (piel, pulmón y vejiga urinaria) como
efectos no cancerosos.
El hidróxido férrico granular también es un adsorbente prometedor para la eliminación de cromo, incluso
en presencia de otros compuestos que interfieren, porque el tratamiento con hidróxido férrico granular se
puede lograr fácilmente y la eliminación del exceso de hierro es un método simple para las plantas de
tratamiento de agua convencionales. Por lo tanto, este método se considera una solución segura y
conveniente al problema de los recursos hídricos contaminados con cromo como lo sugiere Asgari [11]. El
hidróxido férrico y de aluminio elimina más del 99 % de Escherichia coli, Vibrio cholera, poliovirus 1 y coli
fago MS-2 del agua del grifo sin cloro [12].
1.6 Cerámica-WaguaLa filtración mediante el uso de cerámica es un tipo de método de filtración económico y eficaz que se basa en el tamaño
pequeño de los poros del material cerámico para filtrar la suciedad, los desechos y las bacterias del agua. Por lo general, las bacterias, los
protozoos y los quistes microbianos se eliminan, pero los filtros no son efectivos contra los virus, ya que son lo suficientemente pequeños como
para pasar al otro lado "limpio" del filtro. Estudios recientes muestran que las superficies cerámicas mejoradas con óxido de metal pueden
capturar e inactivar indicadores de virus en una amplia gama de aguas. La filtración de cerámica no elimina los contaminantes químicos per se.
Sin embargo, un núcleo de carbón activado de alto rendimiento dentro del cartucho de filtro cerámico reduce los contaminantes orgánicos y
metálicos. El carbón activo absorbe químicos como el cloro. Cerámica cuando se combina con plata impregnada
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el carbón se llama sterasyl que es ideal para filtrar agua microbiológicamente insegura; sin embargo, sterasyl no elimina el fluoruro. La
única desventaja de los materiales cerámicos es la naturaleza quebradiza que puede desarrollar grietas finas durante la manipulación.
2.Técnicas de filtración:
La filtración es comúnmente la operación mecánica o física que se utiliza para la separación de sólidos de fluidos (líquidos o gases)
interponiendo un medio por el que sólo puede pasar el fluido. Se está empleando una amplia gama de medios, de los cuales la filtración
por membrana está ganando importancia en los últimos años. California en los EE. UU. suministra agua potable mediante filtración por
membrana a través de sistemas públicos de suministro de agua.
2.1. Filtración por membrana.Los filtros de membrana son ampliamente utilizados para filtrar tanto agua potable como aguas
residuales. Para el agua potable, los filtros de membrana pueden eliminar prácticamente todas las partículas de más de 0,2 um,
incluidas Giardia y Cryptosporidium..Sin embargo, ninguna filtración puede eliminar las sustancias que en realidad están
disueltas en el agua, como el fósforo, los nitratos y los iones de metales pesados. Según el tamaño de las partículas eliminadas,
la filtración por membrana se puede clasificar en nanofiltración, ultrafiltración, microfiltración y ósmosis inversa. Como
sugirieron Bruggen y otros en estos procesos de membrana impulsados por presión [13], una presión ejercida sobre la
solución en un lado de la membrana sirve como fuerza impulsora para separarla en un permeado y un retenido. El permeado
suele ser agua pura, mientras que el retenido es una solución concentrada que debe eliminarse o tratarse por otros métodos.
Las membranas utilizadas pueden ser poliméricas, organominerales, cerámicas o metálicas, y las técnicas de filtración difieren
en el tamaño de los poros, desde membranas densas (sin poros) hasta porosas. Según el tipo de técnica,La eliminación de
sólidos en suspensión y coloides se puede lograr mediante el uso de ultrafiltración (UF). La nanofiltración (NF) permite separar
los cationes divalentes (ablandamiento del agua), NOM (color natural, precursores de trihalometanos), y da como resultado la
reducción de los sólidos disueltos totales (TDS) [14]. El proceso de ósmosis inversa (RO) demuestra la mejor eliminación general
de TDS y compuestos orgánicos. El agua de alta pureza se puede preparar con éxito mediante destilación por membrana (MD).
Las aplicaciones importantes del proceso MD se pueden encontrar en la tecnología de tratamiento de agua, desalinización de
agua de mar y concentración de soluciones acuosas [15].
Las membranas también se pueden preparar a partir de materiales inorgánicos como cerámica o metales. Las membranas cerámicas son
microporosas, térmicamente estables, químicamente resistentes y, a menudo, se utilizan para la microfiltración [16]. Sin embargo, desventajas
como el alto costo y la fragilidad mecánica han impedido su uso generalizado. Las membranas metálicas suelen estar hechas de acero inoxidable
y pueden ser muy finamente porosas. Su principal aplicación es en la separación de gases, pero también se pueden utilizar para la filtración de
agua a altas temperaturas o como soporte de membranas. MF/UF se considera seriamente en la mayoría de los nuevos proyectos WTP y de
expansión. Sin embargo, los principales problemas que aún necesitan atención son el ensuciamiento de la membrana y la estabilidad química de
la membrana. Al ser económicas, amigables con el medio ambiente, versátiles y fáciles de usar, las membranas son una opción líder para las
aplicaciones de purificación de agua.
una. Microfiltración:Es un proceso de filtración técnica de membrana que elimina los contaminantes de un fluido (líquido y gas) al pasar a través de una membrana microporosa que tiene filtros de
tamaño micrométrico. Estos filtros son porosos y dejan pasar agua, especies monovalentes, materia orgánica disuelta, pequeños coloides y virus pero no dejan pasar partículas, sedimentos, algas o
bacterias grandes. Un rango típico de tamaño de poro de membrana de microfiltración es de 0,1 a 10 micrómetros (µm). Se usa cada vez más en el tratamiento del agua potable y elimina eficazmente los
principales patógenos y contaminantes, como los quistes de Giardialamblia, los oquistes de cryptosporidium y las bacterias grandes. Para esta aplicación, el filtro debe tener una clasificación de 0,2 µm o
menos. Las membranas de microfiltración se introdujeron por primera vez en el mercado de tratamiento de agua municipal en 1987 y se aplicaron principalmente a aguas que eran relativamente fáciles de
tratar. Estos sistemas están diseñados para eliminar sólidos en suspensión de hasta 0,1 micrómetros de tamaño, en una solución de alimentación con una concentración de hasta un 2-3 %. La
microfiltración es fundamentalmente diferente de la ósmosis inversa y la nanofiltración porque estos sistemas utilizan la presión como un medio para obligar al agua a pasar de una presión baja a una
presión alta. La microfiltración puede usar un sistema presurizado pero no necesita incluir presión [17]. La microfiltración es fundamentalmente diferente de la ósmosis inversa y la nanofiltración porque
estos sistemas utilizan la presión como un medio para obligar al agua a pasar de una presión baja a una presión alta. La microfiltración puede usar un sistema presurizado pero no necesita incluir presión
[17]. La microfiltración es fundamentalmente diferente de la ósmosis inversa y la nanofiltración porque estos sistemas utilizan la presión como un medio para obligar al agua a pasar de una presión baja a
una presión alta. La microfiltración puede usar un sistema presurizado pero no necesita incluir presión [17].
b.Ultrafiltración-Con su confiabilidad y capacidad incomparables para eliminar partículas en el rango nanométrico, la ultrafiltración (UF)
se ha convertido en la tecnología de tratamiento para el tratamiento del agua potable. Las membranas de UF más comunes que se
utilizan para la filtración de agua se fabrican como fibras huecas, con un diámetro interior típico de 0,7 a 0,9 mm. Las membranas de
ultrafiltración utilizan membranas de polímero con poros microscópicos formados químicamente que pueden usarse para filtrar
sustancias disueltas evitando el uso de coagulantes. A diferencia de la ósmosis inversa (RO), la UF no cambia significativamente el
contenido mineral del agua y puede operar a presiones tan bajas como 4 a 14 psi. Los procesos de membrana clásicos como la ósmosis
inversa comienzan a funcionar de manera eficiente solo a alrededor de 100 psi. La mayor ventaja de la ultrafiltración es una barrera
absoluta para bacterias, virus y parásitos. Combinado con la prefiltración de carbón activado, elimina el sabor, el olor, los pesticidas y
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residuos de antibióticos. Requiere baja presión de filtración y bajo consumo de energía y es una tecnología verde completa. La
UF también puede funcionar directamente con energía solar, como sugieren Michael y Dan [18].
C.Nanofiltraciónes un método muy económico en comparación con los sistemas de tratamiento convencionales. Es un
proceso de filtración por membrana relativamente reciente que se usa con mayor frecuencia con agua con bajo total de
sólidos disueltos, como agua superficial y agua dulce subterránea, con el fin de ablandar (eliminación de cationes
polivalentes) y eliminar los precursores de subproductos de la desinfección, como materia orgánica natural y agua
sintética. materia orgánica [19][20]. Las membranas nanoporosas son adecuadas para una filtración mecánica con poros
extremadamente pequeños de menos de 10 nm. A mayor escala, la técnica de filtración por membrana se denomina
ultrafiltración, que funciona entre 10 y 100 nm. Exhiben un rendimiento entre el de las membranas RO y UF. Los
polímeros dendríticos son nanopartículas blandas, con tamaños en el rango de 1 a 20 nm,
D. Osmosis inversa-La ósmosis inversa es uno de los sistemas de tratamiento de agua más comunes y efectivos. Este proceso de tratamiento de agua también es un proceso de membrana impulsado por presión. filtros de
osmosis inversa,elimina sales ionizadas, coloides y moléculas orgánicas hasta un peso molecular de 100. Las membranas RO están hechas de una película gruesa de poliamida que contiene pequeños poros a través de los cuales
puede fluir el agua. Los tamaños de los poros pueden variar de 0,1 a 5000 nanómetros (nm) según la aplicación. Estos poros son lo suficientemente pequeños para restringir compuestos orgánicos como minerales y sal, pero
permiten el paso de moléculas de agua. Estos son lo suficientemente restrictivos como para filtrar enfermedades que causan patógenos y bacterias del agua. La ósmosis inversa es muy eficaz para eliminar varias impurezas del
agua: sólidos disueltos totales (TDS), turbidez, amianto, plomo y otros metales pesados, radio y muchos compuestos orgánicos disueltos. Aproximadamente 31 de las 35 ciudades estadounidenses tienen cromo 6, que es
cancerígeno en el agua potable. La eliminación de cromo-6 del agua se logra con un sistema de ósmosis inversa [22]. Además de eso, también eliminará arsénico, bario, cobre, plomo y fluoruro. La principal desventaja de este
sistema es el desperdicio de gran cantidad de agua, alrededor de 3 a 9 galones de agua por galón de agua purificada producida. En segundo lugar, la ósmosis inversa trata el agua lentamente, una unidad residencial de RO tarda
entre 3 y 4 horas en producir un galón de agua purificada. Aunque las membranas de ósmosis inversa eliminan alrededor del 99% de los solutos, las concentraciones de nutrientes esenciales, como los iones de calcio y
magnesio, se reducen a niveles que están por debajo de las especificaciones del estándar de la Organización Mundial de la Salud para el agua potable. La principal desventaja de este sistema es el desperdicio de gran cantidad
de agua, alrededor de 3 a 9 galones de agua por galón de agua purificada producida. En segundo lugar, la ósmosis inversa trata el agua lentamente, una unidad residencial de RO tarda entre 3 y 4 horas en producir un galón de
agua purificada. Aunque las membranas de ósmosis inversa eliminan alrededor del 99% de los solutos, las concentraciones de nutrientes esenciales, como los iones de calcio y magnesio, se reducen a niveles que están por
debajo de las especificaciones del estándar de la Organización Mundial de la Salud para el agua potable. La principal desventaja de este sistema es el desperdicio de gran cantidad de agua, alrededor de 3 a 9 galones de agua por
galón de agua purificada producida. En segundo lugar, la ósmosis inversa trata el agua lentamente, una unidad residencial de RO tarda entre 3 y 4 horas en producir un galón de agua purificada. Aunque las membranas de
ósmosis inversa eliminan alrededor del 99% de los solutos, las concentraciones de nutrientes esenciales, como los iones de calcio y magnesio, se reducen a niveles que están por debajo de las especificaciones del estándar de la
Organización Mundial de la Salud para el agua potable.
2.2.Destilación por membrana
Otro método de purificación de agua prometedor y eficiente es la destilación por membrana (MD), que es un proceso de transporte
térmico impulsado por vapor a través de membranas microporosas e hidrofóbicas. MD se aplica como un proceso de membrana no
isotérmico en el que la fuerza impulsora es el gradiente de presión parcial a través de una membrana que es porosa, no mojada por el
líquido del proceso. El vapor que pasa luego se condensa en una superficie más fría para producir agua dulce. Las membranas
disponibles comercialmente están hechas principalmente de polipropileno (PP), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno
(PVDF) y polietileno (PE). Las aplicaciones potenciales de MD son la producción de agua de alta pureza, la concentración de soluciones
acuosas no volátiles iónicas, coloides u otras, y la eliminación de trazas de compuestos orgánicos volátiles de las aguas residuales [23]. El
calor residual producido se puede reutilizar. Por lo tanto, MD es una tecnología prometedora, pero aún emergente, para el tratamiento
del agua. Las diversas propiedades de los diferentes métodos de filtración se enumeran a continuación en la tabla 2 [24].
Tabla 2-Propiedades de los métodos de filtración por membrana:
MÉTODO
TAMAÑO DE PORO
Ósmosis inversa (OI)
<0,6
<500
30 – 70
Nanofiltración (NF)
0.6 – 5
500-2000Da
10 – 40
Ultrafiltración (UF)
5 – 50
2-500KDa
0.5 – 10
Micro Filtración (MF)
50 – 5000
> 500KDa
0.5 – 2
PESO MOL:
CORTE(1)
BARRA DE PRESION
PENETRACIÓN
Agua
Agua, bajo peso molecular
solutos
Agua, solutos de peso
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molecular bajo,
moléculas
Nano
Agua, solutos de peso
molecular bajo, coloides
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(1) Corte de peso molecular (Dalton) de la membrana donde los solutos de este peso son rechazados en un 90 %
Otras técnicas prometedoras en la purificación del agua sonAerogeles. Se trata de un material sintético, poroso, ultraligero, derivado de un gel,
en el que el componente líquido del gel se ha sustituido por un gas. Achalcogeles un aerogel elaborado a partir de calcógenos que absorben
preferentemente metales pesados, y se muestra prometedor en la absorción de contaminantes como el mercurio, el plomo y el cadmio del agua
[25].Estudios recientes revelaron que los aerogeles híbridos de nanotubos de carbono y grafeno muestran un rendimiento muy prometedor en la
purificación del agua, incluida la desionización capacitiva de sales de metales ligeros, la eliminación de colorantes orgánicos y el enriquecimiento
de iones de metales pesados [26].Los aerogeles de carbono se denominan superesponjas, ya que pueden absorber disolventes orgánicos,
aceites, etc. 900 veces su peso.
3. Técnicas electroquímicasSe emplean varias técnicas electroquímicas en la purificación del agua potable. Algunos de
los más importantes son la electrocoagulación, la electrodiálisis y la electroflotación.
3.1.Electrocoagulaciónpresentan un método robusto, novedoso e innovador en el que un ánodo de metal de sacrificio se corroe,
debido a un potencial eléctrico aplicado, con la evolución simultánea de hidrógeno en el cátodo que se elimina por flotación. Esto tiene
la gran ventaja de proporcionar los cationes activos necesarios para la coagulación, sin aumentar la salinidad del agua [27]. Este proceso
se utiliza principalmente en el tratamiento de aguas residuales para la eliminación de metales pesados [28], iones de fluoruro, etc.,
pero se aplica cada vez más al tratamiento de agua potable debido a su alta eficiencia, rentabilidad y naturaleza ecológica. La
electrocoagulación junto con el proceso de microfiltración (EC-MF) es una técnica de tratamiento de agua altamente efectiva. Los
factores como la densidad de corriente, el tiempo electrolítico y el valor de pH influyen en las eficiencias de eliminación de TOC, NH3-N y
aceite [29]. Estos contaminantes disminuyeron con el aumento de la densidad de corriente.El arsénico se puede eliminar del agua
potable mediante electrocoagulación (EC) con electrodos de hierro seguido de filtración. Se utiliza un filtro de arena para eliminar los
flóculos generados en el proceso EC. El proceso EC disminuye la concentración de arsénico residual a menos de 10 μg L−1[30].
3.2. Electrodiálisis(DE)es un proceso de separación de membrana accionado eléctricamente que es capaz de transportar iones a través
de una membrana semipermeable. Las membranas son selectivas para cationes o aniones, por lo que solo se pueden eliminar las
partículas cargadas. Es un proceso eficiente para el tratamiento de agua potable con alta concentración de nitratos. Sin embargo, solo
logra una transferencia de contaminación al producir salmueras concentradas. Un estudio realizado por Allain, Christelle y otros
demostró la viabilidad de la desnitrificación de salmuera ED en un biorreactor de membrana (MBR) [31].
3.3. Electro flotación(FE)La tecnología es eficaz para eliminar partículas coloidales, aceite y grasa, así como contaminantes
orgánicos del agua. Se ha comprobado que funciona mejor que la flotación por aire disuelto, la sedimentación o la flotación por
impulsor (IF). La separación del lodo floculado del agua tratada se puede lograr usando EF.
4. Métodos de desinfección
La desinfección es un paso importante para garantizar que el agua sea segura para beber. Los sistemas de agua agregan desinfectantes para
destruir los microorganismos que pueden causar enfermedades en los humanos. Los principales métodos de desinfección son la cloración, las
cloraminas, el ozono y la luz ultravioleta. Otros métodos de desinfección incluyen dióxido de cloro, permanganato de potasio, nanofiltración,
radiación solar y sonicación. Los métodos de desinfección convencionales conducen a la formación de subproductos de desinfección y, por lo
tanto, allanan el camino para considerar enfoques innovadores que mejoren la confiabilidad y la solidez de la desinfección y eviten la formación
de DBP.
4.1. quimicoscomo el cloro gaseoso son muy efectivos para eliminar casi todos los patógenos microbianos y son
apropiados como desinfectante primario y secundario. Se libera de un cilindro de cloro líquido y es letal en
concentraciones tan bajas como 0,1 por ciento de aire por volumen. Otros métodos de cloración implican la
adición de hipocloritos de sodio y calcio, pero estos son de naturaleza corrosiva. La cloramina es un bactericida
efectivo que produce menos subproductos de desinfección pero es un desinfectante débil. La principal desventaja
de la desinfección química es la formación de subproductos halogenados que son cancerígenos. Para controlar su
formación, la EPA ha identificado tres estrategias que implican la eliminación de los subproductos después de su
formación,
4.2. Ozonización:La ozonización es un buen método de desinfección para convertir el agua impura en agua potable pura. Inactiva y destruye
todas las bacterias, virus y protozoos. El ozono oxida sustancias orgánicas e inorgánicas, elimina el sabor, el olor y el color no deseados y
proporciona una desinfección eficaz. El ozono actúa más de 3000 veces más rápido que el cloro, lo que requiere un tiempo de contacto y una dosis
más cortos que el cloro con la capacidad de matar el 99 % de todas las bacterias, gérmenes y virus transmitidos por el agua y la mayoría de los
pesticidas al romper las células de los microorganismos o destruir los olores y los productos químicos al oxidación.
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El ozono es un desinfectante efectivo para el aire y el agua, pero las altas concentraciones son dañinas para los tejidos vivos. Si bien el
uso de ozono para la mayoría de los sistemas de agua potable es innecesario y poco práctico debido a la cloración municipal, es un
método de esterilización altamente recomendado para el agua microbiológicamente insegura para beber, como alternativa a la
esterilización UV-C.
4.3. Radiación ultravioleta:Las investigaciones realizadas por varios laboratorios en los últimos años demostraron que los
contaminantes biológicos resistentes en el agua pueden descomponerse con luz ultravioleta, energía solar en presencia de catalizadores
especiales como Tio2y radiación ionizante como electrones de alta energía o rayos Y [33]. La desinfección UV se usa cada vez más para el
tratamiento del agua potable debido a su eficacia contra los protozoos formadores de quistes como Giardia y Cryptosporidium. Pero
algunos virus patógenos, como los adenovirus, son muy resistentes a la desinfección UV y requieren dosis muy altas [34]. Una
combinación de UV con nanomateriales fotocatalíticos como TiO2 y Fullerol proporciona una inactivación adicional. Los reactores UV
revestidos internamente con TiO2 pueden mejorar la tasa de desinfección [ 35]. La radiación UV destruye eficazmente las bacterias y los
virus, pero no es adecuada para aguas con altos niveles de sólidos en suspensión, turbidez, color o materia orgánica soluble.
4.4. Desinfección solar de aguaes una purificación de agua que utiliza energía solar, en una o más formas, para hacer que el agua contaminada
sea segura para beber al eliminar agentes biológicos que causan enfermedades infecciosas, como bacterias, virus, protozoos y gusanos. Sin
embargo, es posible que la desinfección no haga que todo tipo de agua sea segura para beber debido a agentes no biológicos como químicos
tóxicos o metales pesados. En consecuencia, pueden ser necesarios pasos adicionales más allá de la desinfección para hacer que el agua sea
limpia para beber. Hay tres subconjuntos principales de desinfección solar del agua: uso de electricidad, calor y radiación ultravioleta. La
desinfección solar térmica del agua utiliza el calor del sol para calentar el agua a 700C-1000C por un corto período de tiempo. Desinfección de agua
ultravioleta solar, también conocida comoSODIS, es un método de desinfección del agua utilizando únicamente luz solar y botellas de plástico PET.
SODIS es una solución gratuita, simple, ambientalmente sostenible y de bajo costo para el tratamiento del agua potable a nivel doméstico para las
personas que consumen agua sin tratar microbiológicamente contaminada y un método efectivo para el tratamiento descentralizado del agua, y
la Organización Mundial de la Salud lo recomienda como un método viable para el tratamiento doméstico. tratamiento de agua y almacenamiento
seguro [36]. Las botellas de plástico están hechas de PET (tereftalato de polietileno) o PVC (cloruro de polivinilo) que contienen aditivos como
estabilizador UV para aumentar su estabilidad o para protegerlas y su contenido de la oxidación y la radiación UV [37]. La limitación de SODIS es
que no se puede utilizar para aguas turbias, entonces es necesario un filtrado adicional.
4.5. sonicación-es un proceso de desinfección mediante ondas sonoras.El ultrasonido (ondas de sonido de una frecuencia superior a 20 kHz)
puede provocar la alteración estructural y funcional de las células de cianobacterias [38] y su uso como opción de tratamiento para controlar las
floraciones de cianobacterias se ha estado considerando en las últimas décadas. Las frecuencias bajas son deseables debido a un consumo de
energía relativamente bajo; sin embargo, estudios previos muestran una tendencia a que las frecuencias más altas sean más efectivas para la
inhibición de cianobacterias que las frecuencias más bajas [38][39]. El desarrollo de floraciones bacterianas en cuerpos de agua imparte
características indeseables al agua. tales como olores, sabores y la posible presencia de toxinas. Se han utilizado varios métodos químicos y físicos
para controlar las floraciones, pero tienen limitaciones en términos de contaminación y aplicación a gran escala. Un enfoque más reciente ha sido
el uso de sonicación en el control de cianobacterias (también conocidas como algas verdeazuladas) [40]. Se encontró que otros indicadores de la
calidad del agua, como los sólidos en suspensión (SS), la demanda química de oxígeno (COD), la transparencia y la concentración total de fosfato,
eran significativamente más bajos en la sonicación. La principal ventaja de la sonicación es que es respetuosa con el medio ambiente en
comparación con estrategias de tratamiento como el uso de alguicidas.
5. Tecnología de polímeros y nano
5.1. Proceso de intercambio de iones-es un intercambio de iones entre dos electrolitos o soluciones generalmente utilizados en la purificación
del agua.Los polímeros se utilizan ampliamente en la purificación del agua, ya sea como membranas o como resinas.Ciertos iones como los
nitratos presentes en el agua aumentan el crecimiento de las plantas acuáticas y provocan cambios en los tipos de plantas y animales que viven
en la corriente. Esto, a su vez, afecta el oxígeno disuelto, la temperatura y otros indicadores.El método de intercambio de iones se puede emplear
para eliminar los iones de nitrato con éxito. El nitrato se elimina por intercambio iónico de cloruro y la resina aniónica de base fuerte se
completamente regenerado en condiciones de reacción moderadas (es decir, temperatura ambiente, presión atmosférica) en un circuito cerrado
que contiene un reactor de lecho fijo de flujo único lleno de Pd-Cu/γ-Alabama2O3catalizador [41]. El proceso de intercambio de iones con
intercambiadores de iones orgánicos e inorgánicos elimina de manera eficiente los metales de transición dañinos como As, Mn, Cr, etc. del agua.
Los cationes como el calcio, el magnesio y el amonio y los aniones como los nitratos, los bromuros y los sulfatos se pueden eliminar fácilmente.
Este proceso, junto con adsorbentes como el carbón activado, aumenta la eficiencia.
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5.2. Nanotecnologíaha estimulado un interés significativo en las aplicaciones ambientales de los nanomateriales. Los nanomateriales son
excelentes adsorbentes, catalizadores y sensores debido a su gran área de superficie específica y alta reactividad. Más recientemente, también se
ha demostrado que varios nanomateriales naturales y artificiales tienen fuertes propiedades antimicrobianas que incluyen nanopartículas de
plata, TiO fotocatalítico2, fullerol y nanotubos de carbono.
a)Nanopartículasse puede usar para convertir el químico contaminante en agua a través de una reacción química para hacerlo inofensivo. Los estudios han demostrado que este método se puede utilizar con éxito para llegar a
los contaminantes dispersos en estanques subterráneos y a un costo mucho menor que los métodos que requieren bombear el agua del suelo para su tratamiento. Otro desafío es la eliminación de sal o metales del agua. Un
método de desionización que utiliza electrodos compuestos de fibras de tamaño nanométrico se muestra prometedor para reducir el costo y los requisitos de energía para convertir el agua salada en agua potable. Los filtros
estándar no funcionan en células de virus. Por lo tanto, actualmente se está desarrollando un filtro de solo unos pocos nanómetros de diámetro que debería ser capaz de eliminar las células del virus del agua. La nanotecnología
proporciona una serie de aplicaciones en la purificación del agua y algunas de ellas son: Los nanobasuradores, como las nanopartículas de plata, destruyen las bacterias en el agua y, cuando se aplica un campo magnético, los
nanobasuradores se eliminan del agua. Los gránulos que contienen paladio nanoestructurado y oro como catalizadores se utilizan para descomponer los compuestos clorados que contaminan las aguas subterráneas. Estos
gránulos permiten que casi todos los átomos reaccionen con los compuestos clorados, reduciendo el costo del tratamiento. Una tira de vidrio cubierta de nanopartículas peludas (nano-pelo) puede medir de manera económica y
conveniente la contaminación por mercurio en el agua, que ataca el sistema nervioso, y otros metales tóxicos en los fluidos [42]. Los gránulos que contienen paladio nanoestructurado y oro como catalizadores se utilizan para
descomponer los compuestos clorados que contaminan las aguas subterráneas. Estos gránulos permiten que casi todos los átomos reaccionen con los compuestos clorados, reduciendo el costo del tratamiento. Una tira de
vidrio cubierta de nanopartículas peludas (nano-pelo) puede medir de manera económica y conveniente la contaminación por mercurio en el agua, que ataca el sistema nervioso, y otros metales tóxicos en los fluidos [42]. Los
gránulos que contienen paladio nanoestructurado y oro como catalizadores se utilizan para descomponer los compuestos clorados que contaminan las aguas subterráneas. Estos gránulos permiten que casi todos los átomos
reaccionen con los compuestos clorados, reduciendo el costo del tratamiento. Una tira de vidrio cubierta de nanopartículas peludas (nano-pelo) puede medir de manera económica y conveniente la contaminación por mercurio
en el agua, que ataca el sistema nervioso, y otros metales tóxicos en los fluidos [42].
b)nanocompuestos-El investigador Thalappil Pradeep, científico de materiales del Instituto Indio de Tecnología de Madrás, y su equipo crearon
una familia única de materiales compuestos granulares de oxihidróxido-quitosano de metal nanocristalino. Este material, que forma una matriz
similar a una jaula, se une fuertemente a las nanopartículas incrustadas. Las nanopartículas permiten que solo los iones escapen a un ritmo
controlado. Estos iones luego matan los microbios que se encuentran en el agua, sin liberar nanopartículas. “Para una amplia gama de
contaminantes, puede usar una variedad de materiales nanoestructurados para finalmente obtener agua purificada”. Los purificadores costarían
a las familias pequeñas alrededor de US$2,50 por año [43].
c) Nanotubos de carbono-En los últimos años, los nanotubos de carbono (CNT) han recibido una atención especial por sus
excepcionales capacidades de tratamiento de agua y han demostrado su eficacia contra los contaminantes químicos y biológicos. CNT
como medio adsorbente, capaz de eliminar una amplia gama de metales pesados contaminantes como el Cr3+, Pb2+y Zn2+metaloides
como compuestos de arsénico, orgánicos como compuestos orgánicos aromáticos policíclicos (PAH), atrazina y una variedad de
contaminantes biológicos que incluyen bacterias, virus y toxinas de cianobacterias. El éxito de los CNT como medio adsorbente en la
eliminación de contaminantes biológicos, especialmente patógenos, se atribuye principalmente a sus propiedades físicas, citotóxicas y
de funcionalización superficial únicas [44]. La tecnología de adsorción de nanotubos de carbono (CNT) tiene el potencial de apoyar el
punto de uso ( Enfoque de tratamiento basado en POU para la eliminación de patógenos bacterianos, materia orgánica natural (NOM) y
toxinas cianobacterianas de los sistemas de agua. A diferencia de muchos adsorbentes microporosos, los CNT poseen una forma fibrosa
con una alta relación de aspecto, una gran superficie externa accesible y mesoporos bien desarrollados; todo esto contribuye a su
eficacia múltiple.
5.3 Películas delgadasGurpreet Singh, un doctorado. candidato en la Facultad de Ciencias de Polímeros e Ingeniería de Polímeros de la Universidad de
Akron, dirigió a un equipo de investigadores para diseñar un método que permita que las películas se ensamblen solas y les permita servir como plantillas o
directamente como productos finales. Las películas se pueden incrustar con nanopartículas que permiten todo, desde el almacenamiento de datos hasta la
purificación del agua. Las películas delgadas sirven como otra tecnología potencial de tratamiento de agua. TiO2Los fotocatalizadores de película delgada
muestran efectos bactericidas y desintoxicantes en E.Coli presente en el agua [45]. Los nanocompuestos de película delgada se utilizan como membranas en
la purificación de agua potable que exhiben una mayor estabilidad y resistencia a las incrustaciones.
5.4 Puntos cuánticosAlexey I. Ekimov y Louis E. Brus descubrieron los puntos cuánticos que tienen un tamaño de unos pocos
nanómetros. Estos están más estrechamente relacionados con los átomos individuales y se denominan átomos artificiales. Estudios
recientes han demostrado que los puntos cuánticos se pueden utilizar en el tratamiento del agua como sensores y fotocatalizadores. Se
desarrollaron con éxito anticuerpos conjugados con puntos cuánticos semiconductores para marcarCryptosporidium parvumygiardia
lamblia. Este novedoso sistema de fluorescencia exhibió una fotoestabilidad superior, proporcionó una relación señal/ruido de 1,5 a 9
veces mayor que los tintes orgánicos tradicionales en la detecciónC. parvumy permitió la detección de dos colores parac.parvumy
g.lamblia[46]. Los puntos cuánticos semiconductores altamente luminiscentes de Cd-Se, ZnS pueden usarse como sensores o sondas
fluorescentes para la detección de varios contaminantes en el agua potable. Los puntos cuánticos de CdTe se utilizan en la detección de
metales nocivos como As, Cr, Pb, etc.[47]. En la tabla 3 se resumen varios métodos de purificación y los contaminantes eliminados junto
con su eficiencia y rentabilidad.
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Mesa. 3. Métodos de purificación y eliminación de contaminantes.
SN o
1.
Purificación
Contaminantes eliminados.
métodos
Carbón activado
Color, pesticidas, herbicidas, compuestos orgánicos volátiles,
agentes espumantes, bifenilos policlorados (PCB), hidrocarburos
aromáticos policíclicos (HAP), trihalometanos.
Eficiencia y Costo
eficacia
muy eficiente y
Menos costo
2.
Diatomita
Bacterias, virus, Fe, Mn metales pesados.
Eficiente y
3.
alúmina activada
Fluoruro, As, Se, bacterias, virus.
Eficiente y
barato
barato
4.
Zeolitas
5.
Granular
hidróxido
6.
Cationes y aniones de metales pesados y compuestos orgánicos.
Eficiente y
As, Cr, Bacterias, virus.
Eficiente y
barato
férrico
Cerámica
barato
Bacterias, protozoos y quistes microbianos.
Eficiente y
Ligeramente costoso
7.
Osmosis inversa
Sales disueltas totales, compuestos orgánicos, patógenos,
turbidez, As, Ni, Cu, Cr, Ra, Pb, amianto, Cd, Hg, Ni, F
8.
Destilación por membrana
Sales en agua, compuestos orgánicos volátiles (VOC),
subproductos de desinfección (DBP), fluoruro y boro.
muy eficiente y
económico
Eficiente y
Ligeramente costoso
9.
Microfiltración
Bacterias, protozoos.
Muy eficiente y costoso
10
Ultrafiltración
Sólidos en suspensión, coloides. Bacterias, protozoos, virus, productos
Muy eficiente y costoso
químicos.
11
Nanofiltración
Bacterias, protozoos, virus, productos químicos.
Muy eficiente y costoso
Cationes divalentes, materia orgánica.
12
Electro coagulación
Metales pesados, coloides, grasas, aceites, grasas, sólidos solubles
Eficiente y rentable
totales, fosfatos, pesticidas, compuestos orgánicos, radioactividad,
flúor, bacterias.
13
Electrodiálisis
Contaminantes traza orgánicos e inorgánicos, nitratos, nitritos,
fluoruro, As, Cd, U, sólidos disueltos totales, hidrocarburos
aromáticos policíclicos (HAP).
14
Desinfectantes químicos
Bacterias, virus, gérmenes y pesticidas
Eficiente y
15.
Ozonización
Protozoos, gérmenes, pesticidas, orgánicos disueltos,
Eficiente y
dieciséis.
Radiación solar
Bacterias, virus, protozoos y gusanos carbón orgánico
disuelto, As.
Eficiente y
Eficiente y costoso
barato
barato
17
Radiación ultravioleta
Bacterias, virus, protozoos y gusanos
18
sonicación
Cianobacterias, sólidos solubles, fosfatos, Ni, Co.
muy barato
muy eficiente y
muy barato
Eficiente y
Bajo costo
19
Intercambio iónico
Metales nocivos, cationes, aniones
20
Nanotubos de carbon
Color, compuestos orgánicos, metales pesados, bacterias, virus, toxinas
Eficiente pero costoso
Muy eficiente y costoso
cinobacterianas, materia orgánica natural.
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tercero CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS FUTURAS
El impacto de la industrialización y la urbanización en la calidad del agua potable ha aumentado de manera alarmante en los últimos
años. La disponibilidad de agua pura y libre de contaminantes se ha convertido en un fenómeno raro. Todos los métodos de tratamiento
tienen limitaciones y, a menudo, se requiere una combinación de técnicas para tratar el agua de manera efectiva. Con el advenimiento
de la tecnología, han surgido una serie de métodos novedosos, eficientes y rentables para la purificación del agua potable. La
purificación en el punto de entrada y el punto de uso se considera más ventajosa que el sistema centralizado para
garantizar una mayor seguridad del agua potable.
AGRADECIMIENTOS
La autora agradece a su institución, el Instituto de Ingeniería y Tecnología Vignan Jyothi, por crear un entorno científico propicio
para realizar investigaciones. La autora agradece profundamente a su guía y mentora Jyotsna Cherukuri y al Prof. M. Anji Reddy
por proporcionar la orientación y motivación necesarias para escribir el artículo.
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