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• Janeth Nataly Gallo

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INTRODUCCIÓN Los contaminantes en las aguas residuales son normalmente, una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos y por ello no es práctico ni posible, en la mayoría de los casos, obtener su análisis completo. Por las razones anteriores, se ha desarrollado una serie de métodos empíricos para la evaluación de la concentración de contaminantes en aguas residuales, cuya aplicación no requiere un conocimiento completo de la composición química específica de las aguas residuales que se trate. Esta es la razón del porqué la medición de los llamados parámetros combinados o compuestos es la opción que más se usa a menudo para el control de la calidad de las aguas residuales, ya que proporciona a los usuarios una vía rápida y global de apreciar los efectos potenciales de una contaminación no específica. Entre este los métodos de este tipo se encuentran la demanda química de oxígeno (DQO), la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) los aceites y grasas, el nitrógeno total Kjeldahl, los fenoles totales y otros. Los métodos analíticos que se utilizan, con mayor frecuencia en los estudios medioambientales se tienen los de determinación de nitrógeno, debido a la importancia que este tiene como indicador en los procesos de tratamientos control de la calidad de las aguas y en el control de las descargas de las aguas residuales al medio. El nitrógeno es un nutriente esencial para todas las formas de vida y cambios pequeños en las concentraciones de nitrógeno biológicamente asequible pueden afectar drásticamente los niveles de la vida de los animales y las plantas. En el agua de origen residual existe amoníaco (NH3) en forma no ionizada, que es tóxico y la forma ionizada (ion amonio, NH4+) relativamente no tóxico. El método tradicional de determinación de nitrógeno total es el método Kjeldahl, el cual mantiene su vigencia en la actualidad, a pesar de que data de hace casi 130 años, ya que fue en 1883 que el químico danés Johan Kjeldahl presentó por primera vez en la Danish Chemical Society un método para la determinación de lo que se conoce como nitrógeno Kjeldahl, que proporciona el contenido de nitrógeno orgánico más nitrógeno amoniacal de una muestra. El nitrógeno total Kjeldahl es un indicador utilizado en química analítica cuantitativa. Refleja

la cantidad total de nitrógeno en el agua analizada, suma del nitrógeno orgánico en sus diversas formas (proteínas y ácidos nucleicos en diversos estados de degradación, urea, aminas, etc.) y el ion amonio NH4+. También se utiliza para determinar proteínas en alimentos. Es un parámetro importante en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) ya que mide el nitrógeno total capaz de ser nitrificado a nitritos y nitratos y, posteriormente y en su caso, desnitrificado a nitrógeno gaseoso. No incluye, por tanto, los nitratos ni los nitritos. La determinación de nitrógeno total por este método aún hoy en día es uno de los más utilizados en el análisis químico. Es la técnica más versátil para el análisis de nitrógeno. De hecho, es el único método que puede ser usado para el análisis del contenido de nitrógeno en muestras con elevada diversidad. Su universalidad, veracidad y precisión ha hecho que sea un método internacionalmente reconocido para la determinación de nitrógeno total y del contenido de proteína en alimentos. Es el método estándar contra el cual todos los demás métodos deben ser comparados y está aceptado por numerosas e importantes organizaciones internacionales. METODOLOGÍA Aplicación El método Kjeldahl se utiliza en química analítica para la determinación del contenido de nitrógeno en muestras orgánicas lo cual es de gran interés en ámbitos de tanta transcendencia hoy en día como son el alimentario y el medioambiental. Es un indicador utilizado en química analítica cuantitativa. Refleja la cantidad total de nitrógeno en el agua analizada, suma del nitrógeno orgánico en sus diversas formas ; proteínas y ácidos nucleicos en diversos estados de degradación, urea, aminas, etc El método se aplica en este laboratorio para la matriz aguas residuales industriales y superficiales. Se emplea para el intervalo de 0,50 a 1.000 mg de N/L. Es un método electrométrico, en el que se determina el amoniaco y se expresa como Nitrógeno (N) Este método electrométrico determina el pH , midiendo el potencial generado (en milivolts)

por un electrodo de vidrio que es sensible a la actividad del ión H+ , este potencial es comparado contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El contenido de Nitrógeno orgánico en un agua incluye el Nitrógeno de aminoácidos, aminas, polipéptidos, proteínas y otros compuestos orgánicos del Nitrógeno. Para el desarrollo de la curva de nivel proporcionamos

El método fotométrico

independientemente de cual sea su tipo consiste en la determinación de la presencia cualitativa de un analito mediante el estudio de la dispersión que forma el disolvente. Dispersón de la radiación por partículas en disolución. El método Kjeldahl determina el Nitrógeno en estado tri negativo; el “Nitrógeno Kjeldahl” es la suma del Nitrógeno Orgánico y el Nitrógeno Amoniacal. En general, el método Kjeldahl tiene la ventaja de poderse ejecutar mediante equipos no muy sofisticados y puede ser realizado por técnicos poco experimentados. FUNDAMENTACIÒN CIENTÌFICA D’Elia, en 1983, refirió ‘‘...los cambios más significativos en la práctica de la determinación de nitrógeno han resultado no tanto de la expansión del empleo de este método, sino de la expansión de su aceptación en la mejora de sistemas automatizados...” Dentro de las modificaciones del método Kjeldahl están aquellas que han introducido cambios para hacerlo tecnológico y ambientalmente más seguro. Este es el caso de la Norma Mexicana NMX-AA-026-SCFI-2010,16 que utiliza mineralización con sulfato de potasio y la modificación con tiosulfato de sodio, la cual es más adecuada que la propuesta por la norma ISO 5663:1984,10 que emplea mineralización con selenio.

Mediante una publicación realizada en una revista menciona (Carmen, 2013) que entre los indicadores que es preciso analizar en estos casos, se exige que la determinación de nitrógeno total, se realice mediante el método Kjeldahl. Cuando estos cuerpos de agua se han clasificado como Clase A (acción que corresponde al organismo rector de las aguas

terrestres, Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos), el LMPP correspondiente al contenido de nitrógeno total es de 5 mg/L, valor que coincide con el límite de cuantificación (LC) del método Kjeldahl según establecen los métodos normalizados de la American Public Health Association (APHA) .

(Zarela, 2012) Mediante un experimento en Eichhornia crassipes que es una de las plantas que más nutrientes remueve, su elevado consumo en NTK, (Nitrógeno total) demuestra la utilización de estos macronutrientes para procesar la proteína que forma su estructura corporal está relacionado con los estudios como el de Rodríguez et al.(2005) demuestran que el consumo de N.T.K disminuye en el agua de 29 a 8 mg/l. En un experimento realizado por el (Torres, 2009) de la Escuela Politécnico Nacional menciona que en las plantas desarrolladas con agua potable, la proporción de nitrógeno y fosforo resulto ser mayor cuando se utilizó como soporte el tezontle rojo. Esto concuerda con lo que aporta (Salisburri, 2000) que comenta que es necesaria la presencia de hierro para llevar a cabo una mejor absorción de nitrógeno por la planta.

Mediante un experimento realizado por (Zarela, 2012) en la Remoción de nitritos y nitratos en el cultivo de Azolla menciona que el nitrógeno total de Kjeldahl, los niveles de remoción muestran un comportamiento relativamente igual donde la variación en la remoción no es muy elevada, pero existen mayores ingresos en diferentes épocas según la APA (2005), Para época de verano los nitritos presenta una remoción de 0.02 mg/l al final con un inicial de 0.35 mg/l, es decir hasta el 95% de remoción; en época de otoño se puede observar incrementos que van de 0.71 mg/l a 0.59 mg/l es decir un incremento solo del 17%; y en época de invierno se observa una remoción del 69% presentando al inicio 0.26 mg/l a 0.08 mg/l. Sin embargo para todos los estanques se observa bajas concentraciones de nitritos. El nitrógeno en forma de nitrito, rara vez su concentración excede 1 mg/l en agua residual y 0.1 mg/l en agua superficial o subterránea. A pesar de estar presente en concentraciones tan bajas, los nitritos son de gran importancia en aguas residuales o aguas contaminadas porque son altamente tóxicos para muchos peces y otras especies acuáticas.

Otro experimento realizado por (Zarela, 2012) muestra el comportamiento presentada por Azolla filiculoides en parámetros de Nitrógeno Total de Kjeldahl (NTK), N Amoniacal (Amonio), Nitritos y Nitrato, donde esta última es incrementada ligeramente durante su desarrollo a los estanques en un intento. Según la APA (2005), la concentración de nitratos en aguas residuales tratadas puede variar desde 2 a 30 mg/l de N (nitrógeno), dependiendo del grado de nitrificación y desnitrificación del tratamiento. Azolla filiculoides demuestra una sola remoción y no muy elevada en NTK donde la segunda medición fluctúa entre 5.14 mg/l y 1.37 mg/l alcanzando remociones de 3.77 mg/l en un 73.4%. Según la APA (2005), el nitrógeno total de Kjeldahl incluye el nitrógeno orgánico y el nitrógeno amoniacal, es decir se observa mayor concentración en nitrógeno orgánico. PROCEDIMIENTO Procedimiento del nitrato EL Nitrato: Durante la digestión Kjeldahl, un exceso de nitrato superior a 10 mg/L puede oxidar una porción del amoniaco liberado a partir del Nitrógeno orgánico digerido, para producir N2O y causar una interferencia negativa. Cuando está presente suficiente materia orgánica en un bajo estado de oxidación, el nitrato puede ser reducido a amoniaco, resultando en una interferencia positiva. Las condiciones bajo las cuales ocurren interferencias significantes no están bien definidas y no hay una vía probada para eliminar la interferencia en conjunción con los métodos Kjeldahl. Sales y sólidos inorgánicos: El contenido de ácido y sal del reactivo de digestión Kjeldahl tiene la intención de producir una temperatura de digestión cercana a380ºC. Si la muestra contiene una cantidad muy grande de sales o sólidos inorgánicos que se disuelvan durante la digestión, la temperatura puede elevarse sobre 400ºC, punto en el cual empieza a ocurrir una pérdida pirolítica de Nitrógeno. Para prevenir una temperatura de digestión excesiva, agregar más H2SO4 para mantener el balance ácido-sal. No todas las sales causan precisamente la misma elevación de

temperatura, pero la adición de 1 mL H2SO4/g de sal en la muestra da resultados razonables. Demasiado ácido puede disminuir la temperatura de digestión por debajo de 380ºC y resultar en una digestión y recuperación incompleta. Grandes cantidades de sales o sólidos también pueden causar sacudidas durante la destilación. Si esto ocurre, agregar más agua de dilución después de la digestión. Materia orgánica: Durante la digestión Kjeldahl, el H2SO4 oxida la materia orgánica a CO2 y H2O. Si está presente una gran cantidad de materia orgánica, se consumirá una gran cantidad de ácido, se incrementará la relación de sal a ácido, y se incrementará la temperatura de digestión. Si está presente suficiente materia orgánica, la temperatura puede ascender sobre 400ºC, resultando en una pérdida pirolítica de Nitrógeno. Para prevenir esto, diluir la muestra de manera que sea suficiente el reactivo de digestión adicionado Procedimiento de limpieza de vidriería: Lave toda la vidriería con jabón alcalino, enjuague con agua de la llave, posteriormente déjelo en H2SO4 diluido al 5% y enjuague muy bien con agua destilada. Remítase al Procedimiento TP0125 (Lavado de material) ,Utilice la vidriería a la que se le haya efectuado control de calidad . Procedimiento de preparación de estándares En una pesa - sustancias coloque 13,4286 gramos de EDTA. Transfiéralos de forma cuantitativa a un balón aforado de 1 litro, utilice agua ultrapura para esta operación. La solución así obtenida tiene una concentración de 1000 mg N/L. Para las diluciones posteriores es conveniente preparar una solución de 100 mg/L, a partir de la solución de 1000 mg/L. Estándares de calibración y control: Estándar de 1,0 mg N/L. Tome 10 mL del patrón de 10 mg/L y adicione 40 mL de agua ultrapura en el tubo de digestión. La concentración reportada se encuentra en el destilado.

Estándar de Control de 5,0 mg N/L. Tome 5 mL del patrón de 100 mg/L y adicione 45 mL de agua ultrapura en el tubo de digestión. La concentración reportada se encuentra en el destilado, este es el estándar de control de bajo. Estándar de 10,0 mg N/L. Tome 10 mL del patrón de 100 mg/L y adicione 40 mL de agua ultrapura en el tubo de digestión. La concentración reportada se encuentra en el destilado. Estándar de Control de 50 mg N/L. Tome 5 mL del patrón de 1000 mg/L y adicione 45 mL de agua ultrapura en el tubo de digestión. La concentración reportada se encuentra en el destilado, este es el estándar de control alto. Estándar de 100 mg N/L. Tome 10 mL del patrón de 1000 mg/L y adicione 40 mL de agua ultrapura en el tubo de digestión. La concentración reportada se encuentra en el destilado. Procedimiento de análisis • Verificación del Medidor de Iones y del Electrodo: Es recomendable que el analista verifique que el sistema de medición esté funcionando adecuadamente. Utilice estándares no digeridos de NH4Cl, para hacer una precalibración y lea a manera de prueba uno o dos estándares como muestras. Evalué los resultados para continuar con el procedimiento de análisis. • Digestión: agregue cuidadosamente 10 mL de reactivo de digestión al tubo que contiene 50 mL de la muestra o alícuota conveniente, completada a 50 con agua ultrapura. Ajuste cada unidad de calentamiento en el aparato de digestión hasta el punto 3 y coloque los tubos accionando el equipo de evacuación disponible para remover los vapores ácidos. Aumente el calentamiento gradualmente hasta la posición 5 pero evitando que la ebullición sea muy fuerte y produzca salpicadura. Continuar la ebullición hasta que la solución se haga

transparente y verde esmeralda y se observen copiosos vapores en todos los tubos, entonces gire el control de cada unidad de calentamiento al punto 6 y permita que haya digestión entre 10 y 15 min adicionales. La digestión se ha completado en el punto en el cual, se observa el ácido sulfúrico en reflujo en la parte más alta del tubo (aproximadamente 5 cm por debajo de la boca del tubo). Apague la unidad y saque el montaje colóquelo en el soporte para este fin, deje enfriar y apague la unidad de extracción. • Destilación: Prepare el número de balones conveniente de 100 mL con 30 mL de H2SO4 0.02 M, coloque el balón en el soporte e introduzca el tubo se salida del destilador cuidando que quede sumergido en la solución absorbente. Realice un enjuague a las paredes del tubo con una pequeña porción de agua, coloque el tubo de digestión en el soporte del equipo y siga el procedimiento descrito en el manual del destilador BÜCHI 323. Verifique en la programación del equipo las siguientes condiciones: 10 mL de agua, 15 mL de hidróxido de sodio al 32% y un tiempo de destilación de tres minutos. • Medición final de amonio: transfiera la muestra destilada a un erlenmeyer de 125 mL, añadir suficiente solución de NaOH 10 N (1 mL suele ser suficiente) para aumentar el pH por encima de 11, agite de manera constante e introduzca el electrodo selectivo de amoniaco. Permita que haya estabilidad en la lectura y registre el resultado en el formato TF0021 Captura de datos – Electrometría. Calibración del Medidor de Iones: Comprobar el funcionamiento del elemento sensor del electrodo según las instrucciones del fabricante para asegurar que es correcto. Ver instructivo No. TI0364. Procesamiento de datos y cálculo de resultados: La concentración de Nitrógeno Total es determinada directamente por el instrumento de medida, pero, es importante tener en cuenta el factor de dilución para realizar el cálculo respectivo. Debido al proceso de digestión sobre 50 mL de muestra y destilación a 100 mL, esta se encuentra afectada por un factor de dilución de dos. Si se realiza dilución adicional multiplicar los factores de dilución.

ANALISIS El nitrógeno es un indicador relevante en los estudios medioambientales, debido a la importancia que este tiene en los procesos de tratamiento, en el control de la calidad de las aguas y de las descargas de las aguas residuales al medio. El método Kjeldahl es el más ampliamente utilizado para la determinación de nitrógeno total (Ntotal) y en las aguas residuales se encuentran diferentes especies nitrogenadas, como son: nitrógeno orgánico y amoniacal, nitritos, nitratos, entre otras. La determinación de nitrógeno total por este método aún hoy en día es uno de los más utilizados en el análisis químico. Es la técnica más versátil para el análisis de nitrógeno. De hecho, es el único método que puede ser usado para el análisis del contenido de nitrógeno en muestras con elevada diversidad. Su universalidad, veracidad y precisión ha hecho que sea un método internacionalmente reconocido para la determinación de nitrógeno total y del contenido de proteína en alimentos. Es el método estándar contra el cual todos los demás métodos deben ser comparados y está aceptado por numerosas e importantes organizaciones internacionales. No requiere de equipamiento sofisticado y se adapta con facilidad a los análisis de rutina de un gran número de muestras, con diferentes matrices. Con el desarrollo tecnológico y científico han surgido diferentes formas de determinación de nitrógeno, en diferentes matrices, pero en todos los casos, el método de referencia para su validación antes de implementarlas, es el método Kjeldahl. Los resultados obtenidos por este método se han utilizado para calibrar los métodos automáticos. D’Elia, en 1983, refirió ‘‘los cambios más significativos en la práctica de la determinación de nitrógeno han resultado no tanto de la expansión del empleo de este método, sino de la expansión de su aceptación en la mejora de sistemas automatizados. CONCLUSIONES 

Se determina que el método de Kjeldahl es el método más eficiente para calcular el nitrógeno en muestras con elevada diversidad como proteínas y ácidos nucleicos en diversos estados de degradación, urea, aminas, etc. Ya que es el método estándar contra el cual todos los demás métodos deben ser comparados.

RECOMENDACIONES

El método Kjeldhal se lo aplica para varios tipos de productos, por su alta fiabilidad, y ha sido recomendado como base de cálculo, es decir es un método de referencia, sin embargo, tiene la desventaja de utilizar catalizadores tóxicos, caros y siempre se realizará con factores de conversión. En el análisis Kjeldahl se sugiere aplicar materiales de muestra con baja homogeneidad, debido a la precisión que tiene este método al momento de su aplicación. BIBLIOGRAFÍA

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Zarela. (2012). “COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN DE TRES PLANTAS ACUÁTICAS. Obtenido de http://www.lima-water.de/documents/zgarcia_tesis.pdf

ANEXOS General El procedimiento descrito en esta norma ha sido optimizado y su rendimiento evaluado para el análisis del nitrógeno en el agua. Si una norma separada no existe, un laboratorio puede utilizar el mismo procedimiento, con una ligera modificación, para la determinación del contenido de nitrógeno.