El presente proyecto, constituye un esfuerzo coordinado de grupos de investigación de Argentina, Brasil, Chile, Colombia, España, México, Perú, Portugal y Venezuela, para abordar el estudio de sistemas catalíticos para la remoción de especies contaminantes presentes en aguas residuales desde un punto de vista multidisciplinar. Así, en este estudio se comparará la efectividad de diferentes sistemas basados en la adsorción, intercambio iónico y fotocatálisis, empleando distintos materiales naturales propios en las diferentes regiones dentro del área iberoamericana (zeolitas, carbones, sílice, arcillas, etc.), tanto en su forma natural, como modificados. Este estudio comprenderá en el desarrollo de materiales y procesos que permitan de manera efectiva establecer un control de la contaminación de las aguas provenientes de los diferentes procesos industriales y de esta manera lograr una mejor calidad de vida para el ser humano y un desarrollo autosostenido del medio ambiente.
SUMMARY
The present project a coordinated effort of research groups from Argentina, Brasil, Chile, Colombia, España, Perú, Portugal, México and Venezuela, to undertake from a environment catalysis view point stand point, the study of zeolite, carbons, silica gel, polymers and photocatalysis aiming at the removal of contaminant species from waste water. This study involves the development of materials and processes which permit an effective way of stablishing a control of the water contamination due different industrial processes, therefore reaching a better quality of life and the self-sustained development of the enviroment.
2. DESCRIPCION DE LOS OBJETIVOS CONCRETOS DEL PROYECTO.
El objetivo general del proyecto
es el desarrollo de un proceso de remoción y recuperación
de metales pesados presentes en las aguas residuales de industrias, mediante
la utilización de catalizadores y/o adsorbentes, dando respuesta
a los problemas concretos planteados en el área iberoamericana en
relación con la contaminación de las aguas por este tipo
de compuestos.
Así, se ha planteado como objetivo concreto, la necesidad de desarrollar sistemas de eliminación y recuperación del cromo de las aguas residuales desechadas especialmente por las industrias de curtido de cueros así mismo se prestará atención a la eliminación y recuperación Hg proveniente principalmente de la industria minera.
Además se han considerado como objetivos secundarios: a) La utilización de materias primas propias de la región iberoamericana, tratando de aprovechar convenientemente sus propiedades y de darles un valor añadido en un campo de gran demanda futura como es la Catálisis Ambiental y b) La creación de unas bases de cooperación entre diferentes grupos de trabajo, que permitan abordar futuros problemas en esta área que así mismo sobrepasen la capacidad de los diferentes laboratorios considerados aisladamente.
Además se plantea como objetivo de esta colaboración interdisciplinaria y multilateral el fomento de la formación de recursos humanos en estas disciplinas dentro de la región iberoamericana.
3. JUSTIFICACION Y RELEVANCIA
DE LOS OBJETIVOS.
El desarrollo industrial de los países requiere de constante investigación dirigida hacía la implementación de tecnología actualizada y adecuada a las necesidades que se plantean en cada momento, tanto de carácter económico, como social o medioambiental.
El desecho de materias primas por muchas industrias, es un tema en el cual se ha dedicado especial atención y esfuerzo en los últimos años debido a la importancia que posee tanto desde el punto de vista del aprovechamiento de recursos disponibles, como de la protección del Medio Ambiente. De esta forma, está cobrando un auge especial la implementación de procesos de descontaminación ambiental cuyo objetivo final es adquirir una mejor calidad de vida, evitando que el desarrollo tecnológico se vea frenado por motivos de salud pública.
Es por esta razón que un grupo de investigadores de diferentes Instituciones Científicas, Tecnológicas así como entidades del sector productivo, han coincidido en plantear este proyecto para aplicar los conocimientos existentes en el área de catalizadores y adsorbentes con el objetivo de desarrollar una tecnología apropiada que permita la remoción de metales pesados de efluentes acuosos industriales.
4. SEÑALAR LA OPORTUNIDAD
EXISTENTE O FUTURA PARA DESARROLLAR EL PROYECTO.
La oportunidad para desarrollar el proyecto propuesto es excelente, ya que en la actualidad existe un importante número de grupos de investigación en el área iberoamericana que se encuentran trabajando en proyectos de investigación relacionados con diferentes aspectos del tema planteado. Esta coincidencia parte de la creciente preocupación que exite en los países del área iberoamericana ante la progresiva degradación que están sufriendo sus recursos hídricos con el vertido incontrolado de residuos industriales y la necesidad de poder disponer de tecnologías económicamente viables para aplicar las normativas existentes en cada país en un plazo lo más breve posible.
La posibilidad de combinar los diferentes puntos de vista de afrontar el tema planteado y coordinar los esfuerzos de los diferentes grupos de investigación involucrados, ofrece una oportunidad única para resolver adecuadamente las dificultades que supone abordar este tipo de problema de manera individual.
4. SEÑALAR POSIBLE IMPACTO (CORTO, MEDIANO O LARGO PLAZO), (CIENTIFICO, TECNOLOGICO, TRANSFERENCIA AL SECTOR EMPRESARIAL, ETC.) DE LOS RESULTADOS ESPERADOS.
El estudio de las propiedades de los materiales propuestos en este proyecto posee un gran interés desde el punto de vista científico, como lo demuestra el gran número de publicaciones aparecidas en los últimos años sobre los tipos de sólidos microporosos (zeolitas naturales y sintéticas, carbones activos, etc.) y sobre materiales apilarados (arcillas modificadas). El interés que ofrecen estos materiales está generalmente basado en la búsqueda de nuevas aplicaciones para dichos materiales que permita aprovechar adecuadamente sus propiedades.
Así mismo la aplicación de la fotocatálisis en los procesos de depuración de fluídos ha cobrado un enorme interés en los últimos años debido a las grandes posibilidades que ofrece en dicho campo. De esta forma cabe esperar que los resultados esperados tengan un eco importante desde el punto de vista tecnológico.
Respecto a la posibilidad de trasnferencia de los resultados esperados al sector industrial se puede describir como inmediata, dada la necesidad expresada por las diferentes organizaciones sociales, de solucionar los problemas que ya se han planteado y requieren una solución urgente. Por tal motivo, el proyecto se ha planteado de manera integral tratando de desarrollar todo un sistema de tratamiento de las aguas residuales mediante el cual los iones metálicos puedan ser removidos de los efluentes y reincorporados a los diferentes procesos industriales.
5. ANTECEDENTES Y ESTADO ACTUAL DE LOS ASPECTOS CIENTIFICO-TECNICOS, INCLUYENDO LA BIBLIOGRAFIA MAS RELEVANTE.
El vertido incontrolado de residuos industriales y municipales a rios y lagos está causando serios problemas a los recursos hídricos de muchas regiones, poniendo en peligro en muchos casos el equilibrio de los distintos ecosistemas y la salud pública de habitantes de los mismos.
El creciente aumento de la sensibilidad de la opinión pública ante el problema de la contaminación de las aguas generado por las industrias, ha hecho que el control de los residuos sea más exigente día a día y que se estén introduciendo normas cada vez más restrictivas sobre el contenido permitido de compuestos tóxicos o peligrosos en los vertidos industriales. De forma que, ante el dilema que plantea la protección de la salud pública frente al progreso, se está haciendo imprescindible la incorporación de tecnologías más o menos sofisticadas para la depuración de las aguas residuales de muchas industrias.
Según datos de la Encyclopedia
of Chemical Technology (1), las máximas cantidades de los distintos
constituyentes en las aguas destinadas al uso doméstico son:
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Arsénico |
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Mercurio Setenio |
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Bario |
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Plata |
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Cadmio |
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Iondano |
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Cromo |
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Metoxycloro |
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Cobre |
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Fenol |
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Hierro |
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Toxafeno |
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Plomo |
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Nitratos |
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Manganeso |
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Para realizar este tratamiento terciario de las aguas se recurre a cloración, que mata las bacterias, seguida de precipitación química, que elimina las sales metálicas normalmente hasta contenidos compatibles con las normas de pureza establecidas.
Otros procedimientos de depuración son los tanques de oxidación con difusores de aire o aireadores superficiales para suministro adicional de oxígeno que eliminan los BOD, osmosis inversa, electrodiálisis, ciclos de compresión-evaporación por calor, cambio iónico y adsorción.
De entre ellos los más adecuados para la eliminación de residuos aniónicos y catiónicos son precipitación, electrodiálisis, cambio iónico y adsorción. La precipitación presenta la limitación antes señalada cuando las matrices acuosas son complicadas, y los costos energéticos de la electrodiálisis pueden ser importantes requiriendo el uso de membranas catiónicas y aniónicas no del todo desarrolladas.
El cambio iónico y la adsorción parecen muy prometedores. En concreto, por cambio iónico pueden eliminarse hasta el 95% de fosfatos, 85% de nitratos, 100% de sulfatos y 45% de COD pero además pueden cambiar todo tipo de metales por otro catión, Na+ o H+ y/o retenerlos por adsorción física y efecto de tamiz molecular.
La adsorcion especialmente por carbón activado, se ha empleado frecuentemente para la eliminación de sabores y olores del agua siempre y cuando no tenga demasiadas substancias orgánicas en suspensión. Esta substancia orgánica ocuparía los microporos del carbón activado reduciendo su eficacia conforme progresa la adsorción. Suele emplearse en lechos fijos, ya en polvo, ya en gránulos, a través del cual pasa el agua a depurar. También se suelen emplear lechos fluídos con menor eficacia pero con vida más larga. Los sólidos adsorbentes pierden actividad a corto o largo plazo y precisan de regeneración para ser reutilizados. La regeneración del carbón activado suele ocasioar pérdidas no inferiores al 5%.
La tecnología puede ser empleada con cualquier tipo de adsorbentes que tengan una red porosa lo suficientemente amplia como para retener por adsorción los cationes a depurar.
Una regeneración combinada mediante la eliminación de COD y BOD seguida de la remoción de cationes pesados por un adsorbente adecuado, podría ser suficiente para depurar las corrientes industriales. Si el adsorbente, además de un efecto de tamiz molecular completa su acción por intercambio iónico con los cationes a eliminar el efecto podría ser más completo.
Puesto que el objetivo de este proyecto es la remoción de metales pesados de efluentes industriales utilizando materiales naturales o ligeramente tratados, propios de las diferentes regiones del área iberoamericana, el empleo de adsorbentes parece muy adecuado y los estudios a realizar deben basarse en los materiales ya disponibles, por lo que tendrá que incluirse en ellos silice, zeolitas, arcillas o minerales similares y carbón activado. Como agente previo a la adsorción podría incluirse la energía solar que podría constituir el primer paso en la depuración de agentes orgánicos en algún caso incompatibles con la utilización de adsorbentes o intercambiadores para la remoción de metales pesados; según se ha señalado anteriorente.
La aplicación de la silice -como tal y previa funcionalización con diferentes compuestos - a la remoción de sustancias orgánicas y compuestos metálicos presentes en disoluciones acuosas, ha sido ampliamente utilizada. En concreto, Leal et.al. (2) mostraron que la silice modificada con aminopropiltrietoxisilano y trimetoxisililpropiletilendiamino y tratada con una solución de CU2+ es capaz de adsorber CO y etileno cuando es activada a 180ªC. Hill et al. (3) utilizó una silice modificada. Así Baricelli et al. (4) se encuentra trabajando en la extracción del CI3+ a partir de soluciones de sulfato de Cr y ha deducido los parámetros de capacidad de la monocapa y constante de equilibrio a partir de la isoterma de Langmuir que sigue la quimisorción (5). Estos autores han aplicado esta misma tecnología a la depuración de aguas industriales procedentes del curtido de pieles, con resultados muy prometedores, lo cuál les ha llevado a plantear este proyecto.
Además otros grupos de investigación que participan en este proyecto, se encuentran trabajando en este tema, así Falabella et al., están estudiando la aplicación de zeolitas naturales (clinoptilolita) a la remoción de metales pesados haciendo uso de su carácter de tamiz molecular y de sus propiedades de intercambio. Estos autores han estudiado además la influencia de los parámetros que influyen en el intercambio del pH y del anión involucrado y avanzando modelos de los que extrajeron parámetros cinéticos y difusivos, para determinar la eficacia de las columnas.
Los mismos autores han aplicado su metodología a la depuración de curtiembre y en su caso han demostrado la necesidad de eliminar previamente los contaminantes orgánicos de las corrientes para obtener una buena eficiencia de la columna.
Dentro de la misma línea de utilización de silicatos naturales y ligeramente tratados, para este tipo de aplicaciones, en el ICP del CSIC de España se han hecho ensayos previos para la eliminación de NI y Cd utilizando las propiedades de intercambios y de tamiz de la sepiolita, un silicato de magnesio muy abundante en el país, previamente tratado en medio ácido y/o térmicamente con resultados muy prometedores. Igualmente se ha empleado la montmorilonita natural y homoionizada en Na para el mismo tipo de contaminantes, consiguiéndose retener por intercambio cantidades aproximadas a los 0,60 meq/g. También la influencia del pH se ha estudiado en la experimentación a nivel de laboratorio y en sistema batch a temperatura ambiente.
Por otra parte, Aguilar y Reyna han aplicado distintos tipos de carbón activo a la adsorción de Cr de soluciones con 5000 ppm a 50ºC alcanzando rendimientos superiores al 99% tras un tiempo de contacto de 10 minutos. Su trabajo comprende también la preparación del carbón activado a partir de cáscara de coco, pajilla de arroz y madera y E:G. Pradas et al. (6) han estudiado la adsorción de Cd y Zn de soluciones acuosas por bentonita natural y activada.
Por otra parte, Dubbin et al. (7) han estudiado la retención de Cr en las interláminas de montmorillonita y Volzone et al. (8) han estudiado la incorporación de Cr a la esmectita. Mardipo (MOA) (9) en una secuencia Cs<Sr<Eu. La y Nd han sido análogamente retenidos por montmorillonita (10).
Para completar la acción de los adsorbentes señalados, y teniendo en cuenta la experiencia previa del Dr. Falabella, en este proyecto se sugiere la incorporación a la tecnología de depuración por adsorbentes, la desarrollada en España en la Plataforma Solar de Almería, por J:Blanco et col. para la eliminación de materia orgánica por mineralización mediante el proceso de Detoxificación solar utilizando un semiconductor como el TIO2 - producto no tóxico, abundante y de precio razonable - mediante una reacción fotocalítica.
El proceso consiste en la utilización de la parte más energética del espectro solar como es la radiación correspondiente al ultravioleta cercano (longitud de onda inferior nm), para producir una reacción de oxidación muy energética que tiene lugar cuando dicha radiación UV activa un semiconductor en presencia de oxígeno. En estas circunstancias se generan radicales hidroxilo (OH0) que atacan cualquier sustancia orgánica que se encuentre en el medio, dando lugar a un proceso cuyo resultado es una progresiva ruptura de enlaces hasta concluir en compuestos como el dióxido de carbono y el agua. En el caso de compuestos halogenados simples, derivados de alcanos, alquenos, ácidos carboxilicos y sustancias aromáticas en general de acuerdo con la estequimetría siguiente:
Los sistemas actuales se basan fundamentalmente en la tecnología solar inicialmente desarrollada para aplicaciones térmicas, como es el caso de los colectores estáticos cilindro-parabólico compuestos (CPC’s) a los cilindor-parabólicos con seguimiento solar en un eje. En ambos casos es muy similar, los colectores cilindro-parabólicos con seguimiento se concentran a la luz solar sobre un tubo transparente de vidrio que se usa como receptor; dentro de este fotorreactor la porción ultravioleta del espectro solar activa un catalizador (TIO2) en un proceso que acaba produciendo radicales de hidroxilo (OH0 ) como se ha indicado.
Los autores han realizado con éxito diversos experimentos para la reducción de cromo (VI) a cromo (III), mediante fotocatálisis solar utilizando TIO2 como catalizador y han comprobado que simultáneamente se produce un proceso de oxidación mediante el cuál tiene lugar la mineralización de los compuestos orgánicos contaminantres presentes en las aguas que se deseen depurar.
1.
GRUPOS DE INVESTIGACION PARTICIPANTES:
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ARGENTINA | CINDECA
CINDECA |
E.
BASALDELLA
A. KIKOT |
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BRASIL | CENPES | E. FALABELLA |
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CHILE | U.
CONCEPCION
U. CONCEPCION U. DE TALCA |
R.
CID
R.ARRIAGADA J. VILLASEÑOR |
|
COLOMBIA | U.I.S | S. GIRALDO |
|
ESPAÑA | CIEMAT
CSIC CSIC |
J.
BLANCO
S. MENDIOROZ L. HERNANDEZ |
|
MEXICO | UAM
UAM |
A.M.
MAUBERT
R. LINARTE |
|
PERU | U. N. TRUJILLO | A.AGUILAR/R.SU |
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PORTUGAL | FCT/UNL | I. SILVA |
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VENEZUELA | U.
CARABOBO
U CARABOBO U CARABOBO U.C.V. INDUSTRIA |
P.
BARICELLI
J. de FUENTES A. PARDEY C. BOLIVAR |
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1.1 PARTICIPANTES EN EL PROYECTO
Elena Basaldella CINDECA
Ana Kikot CINDECA
Cristina Volzone CETMIC
Eduardo Falabelle CENPES/PETROBAS
Ruby Cid Universidad de Concepción
Renán Arriagada Universidad de Concepción
Rafael García Universidad de Concepción
Juan Godoy Universidad de Concepción
Francisco Rubilar Universidad de Concepción
Consuelo Montes Universidad de Antioquía
Gerardo Rodríguez CEINPRT/INPET
Victor M. Villalba CEINPRT/INPET
Pedro Avila CSIC
Jesús Blanco CSIC
Concepción Barthelemy CSIC
Esperanza Alvarez CSIC
Ana M. Bsahamonde CSIC
Malcom Yates CSIC
Carlos Knapp CSIC
José M. Rodríguez CSIC
Amaya Cebrián CSIC
Carlos Chacón CSIC
J. M. Ramos CSIC
Julián Alvarez CIEMAT
Sixto Malato CIEMAT
Alfonso Vidal CIEMAT
Chistrop Richter CIEMAT
Ana M. Maubert UAM
Asaías Hernández UAM
Julio Flores UAM
María R. Sun UNP
Croswel Aguilar UNT
Juan R. Figueroa UNT
Isabel Santos UNL
Carmelo Bolívar UCV
Carlos Scott UCV
Adriana Scaffidi UCV
Guillermo Hernández UCV
Alvaro Pardey UCV
Felipe Brito UCV
Pablo Baricelli UC
Eduardo Lujano UC
Francisco López UDO
Freddy Imbert ULA
2.1 Descripción de actividades y distribución de tareas:
Métodos: Fotocatálisis (E-1) CH-3
Intercambio iónico C-1(M-2)CH-1 B-1 A-1-E-2-M1
Adsorción selectiva (Resto de grupos)
Materiales: Zeolitas (A-1) B-!, M-2, C-1
Carbonos CH-2, P-1, PO-1
Arcillas Pilareadas (E-2), C-1
Gel de silice modificada (V-1, V-2, V-3)
Otros E-1, CH-3
2.2 Diagrama de actividades y
tiempos
ACTIVIDAD | Año
Primero |
Año segundo | Año tercero | ||||
I | Planteamiento problema. Cliente | ||||||
II | Información y Documentación | ||||||
III | Selección desecho estandar | ||||||
IV | Ensayos escala laboratorio | ||||||
V | Selección de métodos y materiales | ||||||
VI | Ingeniería del reactor y escalado del proceso |
7. INDIQUESE LA ORIGINALIDAD DEL PROYECTO EN RELACION CON OTROS PROYECTOS REGIONALES; ASI COMO, LA POSIBLE COORDINACION CON LOS MISMOS.
El proyecto que se propone es el primer esfuerzo netamente iberoamericano coordinado, que tiene como objetivo desarrollar adsorbentes para la remoción de metales contaminantes de las aguas residuales, y en especial para la remoción de cromo de los efluentes provenientes de las industrias del curtido de pieles. No obstante, en el ámbito de la Unión Europea (UE), dentro de los programas ENVIRONMENTAL Y STEP, existen antecedentes de proyectos relativos a la depuración de aguas por métodos fotocatalíticos (STEP-CT91-0133) y electroquímicos (EV5V-CT92-0237) para el tratamiento de aguas residuales de diferentes industrias (EV5V-CT92-0243). La principal diferencia del proyecto planteado con los ya existentes se basa por una parte, en la naturaleza del tipo de efluentes que se desea depurar y por otra en el tipo de materiales que se plantea en este proyecto.
Teniendo en cuenta el creciente interés existente en Europa en la investigación en procesos de descontaminación de aguas y el problema generado por industrias como la de papel o cuero, sería posible que se planteen nuevos proyectos cooperativos entre países europeos e iberoamericanos dentro del Programa INCO en el que se traten este tipo de temas, con los que se podría coordinar esfuerzos con el fin de realizar una optimización de recursos en el ámbito de la Investigación y el Desarrollo.
8. INTERES DEL SECTOR EMPRESARIAL EN LA TRANSFERENCIA DE LOS POSIBLES RESULTADOS QUE DERIVEN DEL PROYECTO.
Como se ha indicado en el Apartadso 4 bis, la definición de este proyecto nace de la necesidad manifestada por determinados sectores de la industria del cuero de recuperar la mayor proporción posible del cromo que actualmente se pierde como residuo y por otra parte, depurar las aguas residuales generadas en las tenerías y poder cumplir de una forma económica la normativa existente en cada país, pues en la actualidad están recibiendo fuertes presiones por parte de las administraciones locales, que amenzan en ciertos casos cerrar las citadas industrias. Por tanto, queda patente que el interés del sector empresarial en los posibles resultados de este proyecto es muy elevado.
9. VENTAJAS DE LA COOPERACION DE LAS UNIDADES PARTICIPANTES.
Las ventajas de la cooperación de las unidades son múltiples. En primer lugar, se cuenta con un amplio grupo de especialistas en los diferentes grupos, los cuales conjugan una serie de capacidades, trabajando mancomunadamente en objetivos comunes, lo cual sería sumamente díficil lograr en un solo laboratorio. Así podemos obtener una estrecha conexión entre los grupos de trabajo con zeolitas naturales y sintéticas (Chile-Argentina), con carbón activado (Perú), con carbón funcionalizado (Portugal), con detoxicación solar (España), con silica gel modificada y kanemita (Venezuela) y adicionalmente todos los laboratorios de caracterización y síntesis asociados a los grupos participantes. Un esfuerzo concertado de esta naturaleza, puede, sin duda arrojar resultados que de otra manera serían sumamente díficiles de alcanzar e implicarían un proceso para lograr los objetivos trazados.
Por otra parte, el intercambio de
investigadores como de estudiantes enriquecerá en el futuro, la
vida académica de las unidades participantes y contribuirá
con el desarrollo cinetífico en la región.
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