ISSN 0798 1015
ISSN 0798 1015
Vol. 38 (Nº 50) Año 2017. Pág. 3
Gian Franco RONCALLO Bolívar 1; Kelly Johanna BARRIOS Barrios 2; Guillermo Eliecer VALENCIA Ochoa 3; Luis Guillermo OBREGON Quiñones 4
Recibido: 22/06/2017 • Aprobado: 19/07/2017
RESUMEN: Con el objetivo de mejorar el proceso de aprendizaje de la operación unitaria de Lixiviación, se presenta en este trabajo la aplicación de una guía teórico-práctica para evaluar y promover la apropiación del conocimiento en estudiantes de pregrado en ingeniería química basada en una GUI en Matlab®. El desempeño estudiantil promedio durante seis semestres académicos fue del 71% en cuanto al indicador de claridad, 90% para la precisión y 82% para la pertinencia, lo cual permite afirmar que el software LeachING con la guía teórico-práctica son una buena herramienta educativa para el estudio de los balances de materia en este proceso. |
ABSTRACT: Aiming to improve the learning process of leaching unitary operation, in this work is presented the application of a theoretical-practical guide to evaluate and promote the knowledge acquisition in undergraduate chemical engineering students based in a Matlab® GUI. The average student performance during six academic semesters was 71% for the clarity indicator, 90% for accuracy and 82% for relevance, which makes it possible to state that the LeachING software with theoretical and practical guidance is a good educational tool for the study of material balances in this process. |
La simulación de procesos usando software de ingeniería se ha convertido en un instrumento universal e indispensable para la ingeniería química (Stephanopoulos & Reklaitis, 2011). Así, la importancia de la simulación de operaciones unitarias y de las habilidades de computación necesarias para la práctica profesional de la ingeniería química ha sido reportada ampliamente (Grant & Dickson, 2006) (Lewin, Seider, & Seader, 2002) (Ng & Chong, 2013). De acuerdo con esto, el rol indispensable de la simulación de operaciones unitarias en la ingeniería química también ha sido reconocido (Dahm, Hesketh, & Savelski, 2002) (Silverstein, 2004).
Las operaciones unitarias son los procesos básicos involucrados en las transformaciones físicas y químicas para la preparación de reactivos, purificación y separación de productos, incluyendo destilación, lixiviación, absorción, adsorción, evaporación, secado, cristalización, entre otras, que son implementadas de acuerdo a la naturaleza de las sustancias involucradas (Ocon Garcia & Tojo Barreiro, 1971).
Lixiviación, la cual es una de las operaciones unitarias más usadas por tratarse de la extracción sólido-líquido (Treybal, 1980), tiene un alto grado de complicación al aplicar la metodología gráfica de multietapas en contracorriente y flujo cruzado. Algunas simulaciones por computadora se han desarrollado para el proceso de lixiviación, considerando el modelo matemático y los estudios paramétricos como una herramienta poderosa para estimar la cantidad de sustancia extraída del solido al disolverlo en un líquido. Por décadas, se han programado diferentes paquetes de lixiviación para computadora como LEACHN, que es la versión de nitratos del “Leaching Estimation and Chemistry Model” LEACHM (Hutson & Wagenet, 1989), y el “Nitrate Leaching and Economic Analysis Package” NLEAP (Shaffer, Halvorson, & Pierce, 1991) (Follet, 1995).
Las pérdidas de nitrógeno por lixiviación al suelo fueron investigadas usando el modelo HYDRUS-2D, donde el algoritmo fue ajustado y validado sobre datos experimentales para predecir pérdidas de nitrógeno inorgánico en suelo modificado con abono bajo riego con surcos (Iqbal, Guber, & Khan, Abril 2016). En el área de agricultura intensiva, se compiló como una aplicación independiente de Windows una interfaz gráfica de usuario simple llamada SVMLEACH – NK POTATO, que permitió simular la co-lixiviación de nitrato y potasio bajo cultivo de papa, considerando tanto una cantidad mínima de datos de ingreso como los ficheros de MATLAB requeridos para correr los sub-modelos compilados por el componente de ejecución de MATLAB, permitiendo ejecutar la aplicación en computadores que no tengan MATLAB instalado (Fortin, Morais, Anctil, & Parent, 2015).
La lixiviación tiene una gran importancia en la industria minera, que ha usado lodos acuosos acidificados del mineral de oro y sal de cloruro con ozono (US Patente nº 3764650 A, 1973), ha realizado lixiviación de Metales del Grupo de Platino (PGM) con cianuro, hipoclorito, y otros químicos lixiviantes (US Patente nº 4642134 A, 1987), y lodos de minerales usando peróxido de hidrógeno y corriente eléctrica variable para la lixiviación de PGM (US Patente nº 20080302671 A1, 2008). Este proceso también es relevante en la extracción de azúcar, donde se presenta una torre molida (US Patente nº 3953224 A, 1976), un método diferente de extracción de azúcar por una alteración del proceso de difusión (US Patente nº 3135631 A, 1964), y el uso de campos moderados de pulsos eléctricos (MEFP) para la lixiviación mejorada de remolacha azucarera (Jemai & Vorobiev, October 2003).
Una aplicación significativa de los procesos de lixiviación se orienta al ambiente, como es la remoción de metales pesados (plomo y cadmio) de suelos contaminados usando EDTA (Qiao, y otros, January 2017), la recuperación de zinc de baterías alcalinas usando lixiviación asistida con microondas o ultrasonido (Sadeghi, Vanpeteghem, Neto, & Soares, Available online 20 December 2016), y un proceso para reciclar estaño, bismuto y cobre de residuos electrónicos y aguas residuales usando principalmente lixiviación con amoníaco y lixiviación con ácido hidroclórico (Jeon, Yoo, & Diaz Alorro, May 2017). Considerando su importancia, las aplicaciones informáticas de la lixiviación pueden ser desarrolladas para promover la eficiencia en las operaciones matemáticas involucradas, también para mejorar el suministro de información a los responsables de tomar decisiones en las compañías, y al mismo tiempo ayudar a algunos investigadores y estudiantes de ingeniería química a prestar una mayor importancia en las tecnologías de información que puedan mejorar los procesos de enseñanza aprendizaje que se dan en las distintas escuelas de formación.
Por lo anterior, el principal aporte de este trabajo es presentar los resultados de la aplicación una herramienta computacional y guía teórico-práctica en la operación unitaria lixiviación para la evaluación del desempeño estudiantil de una muestra representativa de estudiantes de ingeniería química durante seis semestres académicos en términos de los indicadores de claridad, precisión y pertinencia, como indicadores que permitieron monitorear el grado de asimilación conceptual de esta temática.
En esta parte del trabajo se presenta una breve descripción tanto del software como de la guía teórico-práctica utilizada para medir el desempeño educativo de los estudiantes durante de los seis semestres académicos.
El programa LeachING V1.0 (Operación de lixiviación- Universidad del Atlántico), posee una interfaz gráfica de fácil manejo, la cual está dirigida para estudiantes, docentes y profesionales de ingeniería química como herramienta de diseño para equipos de separación solido-líquido.
LeachING se diseñó teniendo en cuenta los diferentes tipos de contacto para la separación sólido-líquido presentados en la literatura (Ocon Garcia & Tojo Barreiro, 1971) (Treybal, 1980), colocando a disposición de la herramienta técnicas matemáticas de optimización paramétrica para la determinación del mínimo número de etapas (menor tamaño) en equipos de contacto múltiple.
El programa fue desarrollado para cumplir las rutinas mencionadas y obtener un software rápido, de instalación sencilla y de apoyo para resolver problemas de ingeniería complejos (Valencia Ochoa, Escorcia Varela, & Obregón Quiñones, 2016), de contacto de un alimento sólido con un disolvente líquido, complementado con una interfaz fraterna, de fácil acceso para estudiantes de ingeniería en un curso de transferencia de masa, y posibles aplicaciones industriales.
El software contiene 3 diferentes tipos de contacto, el de una etapa sencilla, múltiples etapas en corriente cruzada, y finalmente en contracorriente. Para cada tipo de contacto, LeachING es capaz de calcular las cantidades y composiciones de ambas corrientes de salida y el porcentaje de separación, y en el caso de contacto múltiple, también se puede obtener el número mínimo de etapas. Además, arroja como resultado el diagrama ternario en el que se representa la separación.
Bajo ciertas condiciones, el programa es capaz de ofrecer resultados de la frontera de operación del equipo, como son separaciones mínimas y máximas, condiciones de soluto retenido en la salida limitantes, y cantidades acotadas tanto para el alimento sólido como para el disolvente líquido.
En la Figura 1 , se muestran algunas ventanas del software LeachING, siendo la imagen (a) la de bienvenida del programa, mientras que en la (b) se muestra el ingreso de datos para resolver un problema típico de lixiviación en corrientes cruzadas.
Figura 1
Ventanas iniciales de LeachING. (a) Ventana de bienvenida, (b) Entrada de datos para módulo de corrientes cruzadas
La guía teórico-práctica fue desarrollada por los autores como una herramienta de apoyo al software LeachING v.1.0, con el fin de propiciar el proceso de aprendizaje significativo en los estudiantes de pregrado en ingeniería química, facilitando de igual manera la obtención de los objetivos de curso y la medición del grado de apropiación conceptual de los fundamentos de las operaciones unitarias de lixiviación. La guía en la primera parte muestra todos los fundamentos teóricos y conceptos fundamentales involucrados, seguidamente se muestra la metodología de cada una de las experiencias que deben resolver los estudiantes, además de un conjunto de consideraciones a tener en cuenta para el uso del software, mientras que en la última parte se orienta al estudiante al registro de los datos y análisis de los resultados.
Se utilizó la metodología de la taxonomía de Bloom para el desarrollo de la presente guía teórico-práctica, donde el conocimiento en los grados superiores del saber se fundamenta en las habilidades cognitivas adquiridas previamente por el estudiante en el salon de clase, por lo que se espera que el estudiante además de comprender, analizar y evaluar la operación de lixiviación, llegue a la competencia de proponer mejoras en esta operación al momento de enfrentarse a un contexto industrial (Chelliah & Clarke, 2011). La guía está constituida por la introducción, marco teórico, método de cálculo y experiencia práctica, como se muestra en la Figura 2 para el caso de la introducción y la parte teórica.
Figura 2
Guía teórico-práctica: Introducción y marco teórico
En la parte de experiencias prácticas, se describen los procedimientos para llevar acabo la recolección de datos y elaboración de gráficos con la ayuda del software, y finalmente se tiene un espacio donde el estudiante o profesional debe realizar el análisis y discusión de los resultados para cada una de las tres experiencias de aprendizaje. La Figura 3 muestra el componente de la guía solo para el caso particular de la experiencia práctica No.1.
Figura 3
Guía teórico-práctica: Experiencia No. 1
A partir de la experiencia No. 1, se espera lograr que el estudiante comprenda la relación existente entre el porcentaje de separación y el número de etapas requeridos en la etapa de lixiviación en corrientes cruzadas y contracorriente.
A continuación, se presentan los resultados técnicos que los estudiantes en cada uno de los seis semestres deberían haber respondido con la ayuda de la guía y el programa para el caso de lixiviación en corrientes cruzadas, además de los resultados del comportamiento de los indicadores de desempeño estudiantil durante tres semestres académicos.
Con la ayuda del software LeachING, al introducir correctamente los datos de entrada en el módulo de contacto en corrientes cruzadas se debe obtener un diagrama ternario representativo de la separación como se muestra en la Figura 4 .
Figura 4
Diagrama ternario para contacto en corrientes cruzadas
Luego de obtener los datos solicitados en la experiencia No. 1, al cumplirse las iteraciones especificadas, la respuesta entregada por parte de los estudiantes debe ser similar a la presentada en la Figura 5 , donde se evidencia la existencia de una asíntota vertical en un valor estimado como el porcentaje máximo de separación para las condiciones de alimento y disolvente especificadas, es decir, que aunque se incrementara de manera significativa el número de etapas del equipo, por ende su tamaño y costo, no se lograría separar una mayor cantidad de soluto, independientemente del tipo de contacto. Además, se logra ver claramente que el contacto en contracorriente permite una separación adicional respecto al contacto en corrientes cruzadas.
Figura 5
Resultado esperado de la experiencia No. 1
Los criterios seleccionados para evaluar la guía teórico-práctica fueron claridad, precisión y pertinencia, donde la claridad hace referencia a si la respuesta del estudiante es comprensible o no y si satisface lo esperado; la precisión determina si el planteamiento de la solución o análisis al problema planteado es específico y descriptivo, y la pertinencia describe la objetividad del desarrollo de la guía de acuerdo al enfoque de los problemas. Estos criterios se evalúan porcentualmente de acuerdo al número de estudiantes voluntarios que han decidido desarrollar las experiencias prácticas.
Como se muestra en la Figura 6 , los resultados del criterio claridad muestran una tendencia creciente desde la perspectiva de los estudiantes voluntarios evaluados, lo que demuestra el mejoramiento continuo de la guía teórico-práctica teniendo en cuenta la retroalimentación provista, de igual manera se destaca el análisis de causas y las acciones propuestas cada semestre para dar cumplimiento a la tendencia esperada. Se destaca que para el periodo 2015-1 se presentó una disminución del indicador de claridad del 8.3%, lo cual estuvo asociado a la ambigüedad de las preguntas propuestas en la guía teórico práctica, pero con la corrección de las preguntas propuestas como medida de acción se logró llegar a un porcentaje de cumplimiento del 95% para el periodo 2017-1, lo cual supera el nivel satisfactorio.
Figura 6
Carta de indicador para la claridad de la guía teórico-práctica
En cuanto a los resultados del criterio de precisión que se muestra en la Figura 7 , este criterio se mantiene con tendencia constante por encima del 85%, lo que demuestra una alta exactitud en las respuestas presentadas por los estudiantes a los problemas propuestos, alcanzando un 95% en el último periodo, lo que evidencia una alta comprensión del tema.
Figura 7
Carta de indicador para la precisión de la guía teórico-práctica
Finalmente, en la Figura 8 se muestran los resultados para el criterio de pertinencia que se mantiene alrededor del 80%, representando una alta pertinencia de las respuestas dadas por los estudiantes al objeto de la pregunta, lo cual implica que existe una gran correlación con la formulación del problema, la hipótesis y el análisis dado por los estudiantes.
Figura 8
Carta de indicador para la pertinencia de la guía teórico-práctica
Estos resultados muestran la necesidad de implementar herramientas computacionales fáciles de usar para asegurar un aprendizaje significativo y mejorar el pensamiento crítico de los estudiantes. Con una base teórica adecuada y la implementación de pruebas experimentales de laboratorio, el uso de una herramienta computacional potencia la adquisición de conocimiento y deja al estudiante con una preparación altísima preparado a enfrentarse con nuevos retos en la industria.
Con el propósito de mejorar la asimilación del conocimiento de la operación de Lixiviación, se presentó la aplicación de un software de alta robustez y fácil acceso para el usuario, llamado LeachING, el cual es capaz de calcular por medio de rutinas iterativas las condiciones de salida de este proceso de separación, y mostrar su representación gráfica en un diagrama de equilibrio ternario tipo triángulo rectángulo.
Se desarrolló una guía teórico-práctica que junto al software Leaching permite potencializar los conocimientos previos de los estudiantes para proponer mejoras en la operación de lixiviación en un entorno industrial. De igual manera, la guía fue un instrumento de aprendizaje significativo, dado que la parte teórica de los conceptos fundamentales de la operación y de los objetivos de cada una las experiencias a desarrollar, les permitió a los estudiantes resolver la experiencia de manera satisfactoria, aspecto que se evidencio en la tendencia de tres criterios de desempeño a partir del análisis de los resultados obtenidos en seis semestres académicos.
Se aplicaron las experiencias de aprendizaje a 106 estudiantes entre los años 2014 y 2017 en los que se estudiaron la tendencia de los criterios de claridad, precisión y pertinencia, indicadores que hacen parte de los estándares intelectuales de calidad que facilitan la evaluación del pensamiento crítico del estudiante, teniendo en cuenta una escala de valoración en un rango del 100 % para el máximo puntaje y 0 para el mínimo, donde se destacaron resultados promedio de 71% para claridad, 90% de precisión y 82% de pertinencia.
Finalmente, el análisis tendencial de los datos promedios en cada semestre de los indicadores en estudio, permitió comprobar el efecto positivo que tiene el uso de la herramienta computacional y la guía teórico práctica sobre el aprendizaje del estudiante en los procesos de lixiviación, lo cual muestra que la educación en ingeniería cuando se apoya en herramientas computacionales permite mejorar de manera continua el proceso de aprendizaje significativo y desarrollo del pensamiento crítico de los estudiantes.
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Esta investigación fue soportada tanto por la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Atlántico, como por sus grupos de Investigación en Gestión eficiente de la energía – kaí, Procesos químicos y bioquímicos sostenibles (PROQUIBIOS), y Simulación y Control de Procesos.
1. Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos Sostenibles. Ingeniero Químico, Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia. groncallo@mail.uniatlantico.edu.co
2. Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos Sostenibles. Ingeniero Químico, Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia. kjohannabarrios@mail.uniatlantico.edu.co
3. Grupo de Investigación en Gestión Eficiente de la Energía. Profesor Asistente Programa de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia. guillermoevalencia@mail.uniatlantico.edu.co
4. Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos Sostenibles. Profesor Asociado Programa de Ingeniería Química, Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia. luisobregon@mail.uniatlantico.edu.co