DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL PARA UNA INDUSTRIA MANUFACTURERA DE JABONES Y DETERGENTES

Industria manufacturera de jabones de tocador. Tratamiento de efluentes Gestión Integral de Residuos Sólidos, líquidos y Gaseosos. Máster Oficial de Ingeniería Química. UMU María Delia González Hernández

INDUSTRIA MANUFACTURERA DE JABONES DE TOCADOR. TRATAMIENTO DE EFLUENTES

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ÍNDICE

1. Introducción 2. Proceso de fabricación. Etapas 2.1. Recepción de materias primas 2.1.1.Sebo 2.1.2.Grasas y aceites 2.1.3.Hidróxido sódico (sosa caustica) y Cloruro sódico (sal) 2.1.4.Carbonato de sodio 2.2. Refinación de grasas y aceites 2.2.1.Neutralización 2.2.2.Blanqueo 2.2.3.Desodoración 2.3. Saponificación inicial 2.4. Reposo, enfriado y purgado 2.5. Saponificación final 2.6. Secado 2.7. Mezclado y molienda 2.8. Extruido 2.9. Cortado 2.10. Troquelado 2.11. Empaquetado 3. Diagrama de residuos producidos durante el proceso industrial 4. Características del agua residual producida 5. Fases de la depuración del agua residual 5.1. Rejas de desbaste 5.2. Desengrasado 5.3. Tanque de homogeneización y ajuste del pH 5.4. Decantación primaria 5.5. Oxidación química 5.6. Coagulación-Floculación 5.7. Decantación secundaria 6. Diagrama del proceso de depuración del agua residual industrial 7. Requisitos recogidos en el anexo III del Decreto 16/1999 del 22 de Abril, sobre vertidos de aguas residuales industriales al alcantarillado (BORM nº97, de 29/4/99) 8. Tratamientos adicionales para reutilizar el efluente de la depuradora como agua de alimentación a calderas. 9. Bibliografía utilizada

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1. Introducción Los jabones son sales sódicas o potásicas de ácidos grasos, solubles en agua. Se fabrican a partir de grasas, aceites o de sus correspondientes ácidos grasos, mediante un tratamiento con un álcali o base fuerte (hidróxido sódico o hidróxido potásico). La clasificación de los jabones varía en función del método de manufactura, de las materias primas utilizadas y del uso final previsto. 2. Proceso de fabricación. Etapas El proceso de fabricación consta de las siguientes etapas: 2.1. Recepción de materias primas Esta primera etapa consiste en la recepción de las materias primas necesarias para el proceso. Principalmente son aceites vegetales y grasa animal. En esta etapa hay que tener en cuenta que se podrían producir derrames accidentales de las mismas. 2.1.1.Sebo Este material contiene los glicéridos mixtos obtenidos de la grasa sólida de ganado por medio de vapor. Suele añadirse para aportarle al jabón una mayor solubilidad. 2.1.2.Grasas y aceites En términos químicos las grasas y aceites de origen vegetal o animal son similares, pues básicamente son ésteres compuestos de ácidos grasos, alcohol y glicerol (glicerina). De estos triglicéridos, los líquidos a temperatura ambiente son los aceites y los sólidos son las grasas. Se refinan por medio de vapor o por extracción por disolventes y pocas veces se emplean sin haber sido mezclados previamente. 2.1.3.Hidróxido sódico (sosa caustica) y Cloruro sódico (sal) La sosa caustica se utiliza para hacer jabón y el cloruro sódico se utiliza en el proceso de saponificación para alcanzar así los estándares de alcalinidad y humedad necesarios para conseguir la separación de las fases de jabón y lejía. 2.1.4.Carbonato de sodio El carbonato de sodio es utilizado para el proceso de saponificación de jabones transparentes y si se mezclan con otro tipo de saponificación fabrican jabones flotantes.

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2.2. Refinación de grasas y aceites Consta de cuatro operaciones 2.2.1.Neutralización En la etapa correspondiente a la neutralización el aceite es calentado y posteriormente tratado con una solución alcalina. Los ácidos grasos libres, responsables de la acidez y la oxidabilidad de los aceites se eliminan en la fase acuosa bajo forma de jabones. De esta manera se consigue partir de un aceite neutro. 2.2.2.Blanqueo En esta operación se lleva a cabo una fusión de la grasa a 80-100°C y utilizando adsorbentes (arcillas naturales y carbón activo) se eliminan sustancias coloreadas presentes en las grasa. Junto con los pigmentos también se absorben otros materiales, tales como los fosfolípidos y algunos productos de oxidación. 2.2.3.Desodoración Para la utilización de grasas en la síntesis de jabones es conveniente que la grasa de procedencia no presente aromas. Para desodorizar la grasa se pone en contacto con una columna a 150-250°C a contracorriente con un gas inerte al tiempo que se aplica vacío. 2.3. Saponificación inicial Para el proceso de saponificación cada tipo de jabón necesita diferentes cantidades de materias primas, que se encuentran determinados por los balances de masa. Estos balances de masa son referenciados por la empresa y específicos para cada tipo de jabón. Pero básicamente consiste en una reacción química entre un ácido graso y una base en la que se obtiene como producto principal la sal de dicho ácido y de dicha base.

En el proceso de producción la materia grasa es transportada a los tanques de saponificación donde es calentada a vapor hasta 80-90oC facilitándose su fusión. Poco a 4


poco y sin dejar de agitar se agrega la solución de sosa caustica, manteniendo la agitación hasta lograr la completa saponificación de la masa. 2.4. Reposo, enfriado y purgado En esta etapa se enfría la mezcla a temperatura ambiente. La mezcla permanece en reposo, consiguiéndose una sedimentación de glicerina y sales. Sobre el sedimento se encuentra el jabón solidificado en forma de pasta neutra que será utilizado en las siguientes etapas del proceso. Esta pasta es separada de la solución acuosa por un sistema de purgado, mediante el cual se recolectará la descarga acuosa para su recirculación en el proceso. En esta etapa del proceso se generan aguas residuales que se recircularán en el proceso. 2.5. Saponificación final Una vez purgado el contenido de los tanques, se pone de nuevo en marcha el caldeo a vapor; cuando la pasta jabonosa vuelve a hallarse en estado de fluidez, se agita la solución nuevamente y se le incorpora glicerina sin dejar de agitar. Entonces, con la masa a 80ºC, se agrega nuevamente sosa caustica. La incorporación se efectúa en pequeñas porciones y a medida que se observe su disolución. 2.6. Secado Una vez terminado el proceso de saponificación, el producto se envía al sistema de secado. Una vez seco, se dirige a una serie de rodillos de acero que se enfrían con agua. La película se endurece y pasa por los rodillos, donde cada rotación en un poco más rápida que la anterior. Como resultado de la etapa se generan residuos sólidos provenientes del jabón laminado y agua de enfriamiento de los rodillos (recirculada). 2.7. Mezclado y molienda En este momento del proceso, el jabón es transportado unos tanques mezcladores, donde el producto es mezclado aceites esenciales, colorantes y sustancias olorosas, ya sean naturales o artificiales. La mezcla se consigue gracias rodillos de granito que realizan el mezclado y la molienda del material. Teniendo en cuenta que los perfumes tienden a volatizarse, se emplea un fijador (resinas o bálsamos naturales). Finalmente se añaden aditivos disueltos al jabón en la mezcladora, con el fin de obtener jabones especialmente suaves y sobre-engrasados. Una vez finalizada la mezcla, se corta nuevamente el jabón en tiras produciéndose la molienda del mismo. Como resultado de esta etapa se generan envases vacíos de los productos utilizados y ruido por la actividad de la maquinaria. 2.8. Extruido Ahora las tiras obtenidas en la etapa anterior se envían a unas máquinas extrusoras todavía calientes con el contenido apropiado de humedad, con el objeto de que cuando pasen por la extrusión sin problemas. El producto obtenido consiste en una larga barra de 5


jabón del ancho y grueso deseado para las pastillas. Como resultado de la etapa de extrusión se generan residuos sólidos del jabón (reutilizados en el proceso), condesados de vapor y ruido. 2.9. Cortado Esta actividad se desarrolla en máquinas cortadoras automatizadas que poseen el diseño y dimensiones de las pastillas. Como resultado de la actividad se genera ruido y residuos por el cortado y modelado de las pastillas de jabón (reutilizados en el proceso). 2.10. Troquelado En el troquelado se consigue a forma definitiva del jabón. Como resultado de su actividad se genera ruido y los residuos sólidos de las pastillas (reutilizados en el proceso). 2.11. Empaquetado Las pastillas troqueladas son llevadas a las máquinas empaquetadoras donde se les colocan las envolturas para su presentación requerida en el mercado. A continuación son almacenadas en cartones para su posterior distribución. Como resultado de la actividad se generan residuos sólidos (etiquetas, envases, cartones, grapas, etc.) dañados.

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3. Diagrama de residuos producidos durante el proceso industrial Grasas, aceites, sebo, sosa caústica, cloruro sódico y fragancias

Recepción de materias primas

Posibles derrames de aceite y grasas

Aditivos y productos necesarios para la neutralización, blanqueo y desodoración

Refinación de Grasas y Aceites

Envases vacíos

Energía eléctrica, vapor, agua, sal, sosa caustica

Saponificación inicial

Condensados de vapor

Reposo, enfriado y purgado

Agua residual procedente del purgado

Vapor, glicerina, sosa caústica

Saponificación final

Condensados de vapor y agua residual procedente del lavado del reactor

Energía eléctrica, agua de enfriamiento

Secado

Agua de enfriamiento (parcialmente recirculada)

Energía eléctrica, aceites esenciales, fijadores, colorantes y emulsiones

Mezclado y molienda

Energía eléctrica, vapor de agua

Extruido

Energía eléctrica

Cortado

Energía eléctrica

Troquelado

Energía eléctrica, papel, envases, cartones, grapas,etc.

Residuos sólidos de jabón y condensados de vapor

Residuos sólidos de jabón

Empaquetado

Almacenamiento

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4. Características del agua residual producida La mayor parte de las aguas residuales se generan en operaciones de lavado. Las características comunes de las aguas generadas en la industria jabonera son: Caracterización fisicoquímica del agua residual industrial de la industria jabonera VALORES LÍMITE CARACTERÍSTICAS

UNIDADES

VALORES PROMEDIOS

pH

Unid pH

Alcalino

Sólidos sedimentables

mg/l

Sólidos en suspensión

MIN

MAX

11

5

14

Bajo

2

0

30

mg/l

Elevado

1230

43

6350

Fosfatos

mg/l

Presente

104

1

610

Grasas y aceites

mg/l

Alto

547

2

2916

DQO

mg/l

Alto

6631

1600

12000

DBO5

mg/l

Bajo

512

60

1715

DBO/DQO

-

Bajo

0,08

0,04

0,14

Detergentes

-

Presentes

-

-

-

Turbidez

-

Elevada

-

-

-

Color

-

Presente

-

-

-

Este tipo de agua residual industrial generalmente presenta las siguientes características: - Medio alcalino - Marcado carácter orgánico - Baja biodegradabilidad - Presencia de sólidos en suspensión Este proyecto industrial ha sido diseñado para el tratamiento de las aguas generadas en el proceso de fabricación de jabones.

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5. Fases de la depuración del agua residual 5.1. Rejas de desbaste (Eliminación de partículas de gran tamaño) Inicialmente las aguas residuales se dirigen a unas rejas de desbaste, donde se separan los sólidos gruesos presentes en el agua a tratar, haciéndola pasar a través de rejas de manera que quedan retenidos y por los huecos va pasando el agua. De esta manera se obtiene un agua residual exenta de partículas de gran tamaño. 5.2. Desengrasado (Reducción de grasas, espumas y detergentes) El agua residual procedente del desbaste es sometida a un proceso para la eliminación de las arenas y grasas que transporta. Las arenas, debido a su mayor peso, sedimentan en el fondo. Las grasas, espumas y detergentes son los que ascienden a la superficie por flotación, ayudados por el burbujeo de aire que generan soplantes y que distribuyen difusores sumergidos. 5.3. Tanque de homogeneización y ajuste del pH El tanque de homogenización tiene como función principal lograr que el agua residual a tratar presente unas características muy parecidas y de esta manera amortiguar los posibles caudales pico. Por otro lado, gracias a la agitación del tanque, se evita la descomposición anaeróbica de los posibles sólidos sedimentados. En este mismo paso, se procede al ajuste del pH óptimo y de esta manera se mejorarán los sucesivos procesos. Para tal ajuste, se inyectará ácido sulfúrico por medio de una bomba dosificadora. 5.4. Decantación primaria (Reducción de los sólidos sedimentables) Tras su paso por el tanque de homogeneización y ajustar el pH del agua, se procede a una inicial decantación primaria, mediante la cual se pretende reducir los sólidos sedimentables. De esta manera se consigue una optimización de los tratamientos posteriores. 5.5. Oxidación química (Reducción de la materia orgánica biodegradable y no biodegradable) La oxidación química es una operación del tratamiento terciario cuyo principal objetivo es la eliminación de los compuestos no biodegradables. Como agente oxidante se utiliza el peróxido de hidrógeno, de este oxidante cabe destacar que se trata de una sustancia económica, de fácil manejo, total solubilidad en agua y que no 9


genera subproductos tóxicos o coloreados. Sin embargo, su poder oxidante sobre los compuestos orgánicos no es muy elevado, por lo que se ha de utilizar simultáneamente con otros oxidantes (radiación ultravioleta, ozono) o en presencia de catalizadores, como ciertas sales metálicas, entre las que destacan las de hierro. Concretamente el proceso de Fenton es un proceso de oxidación química avanzada consistente en la adición de peróxido de hidrógeno (oxidante) y cloruro férrico (catalizador). El peróxido de hidrógeno en presencia de las sales férricas da lugar a la formación de radicales hidroxilo (OH-) que interaccionan con los compuestos orgánicos del medio y degradándolos.

5.6. Coagulación-Floculación (Reducción de la materia coloidal y la presencia de fosfatos) Este sistema es interpuesto para la eliminación de la materia coloidal. Los coloides se caracterizan por su estabilización sobre una serie de cargas de igual signo sobre su superficie. Posteriormente en un segundo tanque también agitado, se procede a la coagulación – floculación de la materia coloidal por medio de la adición paralela de sulfato de aluminio y cal (coagulante) y polímero aniónico (floculante). De esta manera también se eliminará la presencia de fosfatos ya que por medio de la adición de cal se formarán precipitados insolubles de fosfato cálcico, tales como Ca3(PO4)2 y Ca5(PO4)3OH. Coagulación: Consiste en una desestabilización de un coloide producida por la eliminación de las dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, con la formación de núcleos microscópicos. Floculación: Aglomeración de partículas desestabilizadas primero en microflóculos, y más tarde en aglomerados voluminosos llamados flóculos. 5.7. Decantación secundaria (Reducción de sólidos en suspensión tras el proceso de coagulación-floculación) Una vez conseguida la coagulación – floculación, los lodos de hierro y materia coloidal terminan sedimentando en un decantador lamelar. Los lodos del fondo del decantador, ricos en catalizador, se recirculan para reutilizarlos en la etapa de oxidación.

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6. Diagrama del proceso de depuración del agua residual industrial

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7. Requisitos recogidos en el anexo III del Decreto 16/1999 del 22 de Abril, sobre vertidos de aguas residuales industriales al alcantarillado (BORM nº97, de 29/4/99) ANEXO III VALORES MÁXIMOS INSTANTÁNEOS DE LOS PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN Temperatura

<40 ºC

Plomo

2 mg/l

pH (intervalo)

5,5-9,5 unidades

Selenio

1 mg/l

Conductividad

5.000 S/cm

Sulfuros

5 mg/l

Sólidos en suspensión

500 mg/l

Toxicidad

25 Equitox. m-3

Aceites y grasas

100 mg/l

Zinc

5 mg/l

DBO5

650 mg/l

N total (Kjeldhal)

50 mg/l

DQO

1.100 mg/l

Aluminio

20 mg/l

Arsénico

1 mg/l

Bario

20 mg/l

Boro

3 mg/l

Cadmio

0,5 mg/l

Cianuros

5 mg/l

Cobre

5 mg/l

Cromo Total

5 mg/l

Cromo hexavalente

1 mg/l

Estaño

4 mg/l

Fenoles totales

2 mg/l

Fluoruros

15 mg/l

Hierro

10 mg/l

Manganeso

2 mg/l

Mercurio

0,1 mg/l

Níquel

10 mg/l

Plata

0,1 mg/l

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Características del efluente producido tras el proceso de depuración Con el proceso de depuración propuesto anteriormente se consigue que el efluente presente unas características adecuadas para su vertido a alcantarillado. Habiéndose conseguido una sustanciosa disminución de sólidos (en suspensión y sedimentables), de la materia orgánica no biodegradable, así como de la presencia de fosfatos. 8. Tratamientos adicionales para reutilizar el efluente de la depuradora como agua de alimentación a calderas. El agua residual tratada con el objeto de ser reutilizada en la alimentación de calderas va a necesitar un tratamiento adicional. En cuanto a los requerimientos del agua Alimentación a las calderas se atiende a las recomendaciones establecidas por la Norma Británica BS – 2486, la ABMA (American Boiler Manufacturing Association) para prevenir incrustaciones y corrosión en calderas. PARÁMETRO

VALOR REQUERIDO

Dureza total

< 2ppm

Contenido de oxigeno

<2ppb

Dioxido de carbono

<25mg/l

Contenido total de hierro

<0,05mg/l

Contenido total de cobre

<0,01mg/l

Alcalinidad total

<25ppm

Contenido de aceite

<1mg/l

pH a 25oC

8,5 – 9,5

Condición general

Incoloro y claro

Tabla de requerimientos de agua de alimentación a las calderas según la Norma Británica BS – 2486

Para conseguir que el agua residual tratada se adapte a las condiciones requeridas para las caderas habría que optar por un sistema de ósmosis inversa. Por otro lado para que el dióxido de carbono y el oxígeno se elimine, el agua deberá de ser tratada por un desgasificador cuya función es la de eliminar el oxígeno y dióxido de carbono disuelto en el agua de alimentación de las calderas y prevenir así problemas de corrosión o “pitting”.

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9. Bibliografía utilizada - Evaluación del proceso de coagulación-floculación en la planta de tratamiento de aguas residuales industriales de una empresa manufacturera de jabones, detergentes, dentífricos y desinfectantes .2002, Universidad de San Carlos (Guatemala), Mirna Concepción Gómez Cadenas. -Fabricación de productos farmacéuticos, sustancias químicas medicinales y productos botánicos. Capítulo 18. CIIU C-2100 -Acciones para la sustentabilidad del recurso hidráulico. Uso eficiente del agua en la empresa. Héctor J. Sepúlveda Valle. Fábrica de Jabón La Corona, S.A -Planta de líquidos y ampliación del proceso. Suavizante de telas. Proyecto 09DF2005I0001

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DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL PARA UNA INDUSTRIA MANUFACTURERA DE JABONES Y DETERGENTES

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