Ingeniería Ambiental
Potabilización de Agua
Universidad de Córdoba 2017
FLOTACIÓN María de la Ossa Humanez1, Gerardo Cusi Hernández Sibaja 1, Angie Carolina Arrieta Ramos1, Karen Biggiani Estrella 1, Daniel Rodríguez Ibarra1, Fabián Arteaga Hernandez1, Carolina Díaz Guzmán1. 1. Estudiantes de 6to semestre de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Córdoba
¿QUÉ ES LA FLOTACIÓN? La flotación consiste en la separación de los sólidos del agua mediante adhesión de micro-burbujas de aire a las partículas para llevarlas a la superficie. (Ministerio de desarrollo económico, 2000) Los procesos de flotación son comunes con mayor amplitud en determinadas platas depuradoras industriales, como pueden ser en refino de petróleo, petroquímicas, alimentación, etc. (Sastre, 2005).
experimenta el conjunto partículaburbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuta densidad en mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad en inferior, como el caso del aceite en el agua ( METCALF & EDDY, 2000).
En este tipo de procesos se obtiene además del agua tratada, un residuo de fangos de flotación o “natas” que contienen los sólidos en suspensión y las grasas y aceites separados (Sastre, 2005).
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FLOTACIÓN
La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase liquida. Las burbujas de adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que
Imagen 1: descripción del proceso de flotación, 1-celda; 2-soporte; 3rotor; 4-entrada del aire; 5-estator; 6-tubería de alimentación; 7canaleta; 8- tubería de relave.
En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de la materia suspendida y para la concentración de los fangos biológicos. La principal ventaja del proceso de flotación frente al de sedimentación consiste en que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta. Una vez las partículas se hayan en superficie pueden recogerse mediante un rascado superficial ( METCALF & EDDY, 2000). El proceso de flotación se basa en las propiedades hidrófilas e hidrofóbicas de los minerales. Se trata fundamentalmente de un fenómeno de comportamiento de sólidos frente al agua. Las sustancias que contienen en su molécula una parte hidrófila y otra hidrófoba se denominan antipáticas (CARO, 2011). Cuando la interface es la superficie de contacto entre un líquido y un gas , las moléculas tenso-activas se agrupan en esta interface, con la parte hidrófila de su molécula dirigida al agua y la parte hidrófoba hacia el gas, lo que provoca una disminución de la tensión interfacial y facilita la formación de espumas (CARO, 2011).
Imagen 3: celda de flotación La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas se limita, en la actualidad, al uso del aire como agente responsables del fenómeno. Las burbujas de añaden, o se induce su formación ( METCALF & EDDY, 2000). Los procesos (métodos) de flotación empleados son: • Introducción del aire en el agua
residual a presión atmosférica • Flotación por disolución de aire a
presión (DAF). • Flotación por aire inducido (IAF). • Flotación por vacío
En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y rendimiento mediante la introducción de aditivos químicos ( METCALF & EDDY, 2000).
Aditivos químicos: Normalmente, se
Imagen 2: adhesión selectiva, B-burbuja; P-partícula; S-g (solido-gas); S-l (solido – líquido).
suelen añadir determinados compuestos químicos para facilitar el proceso de flotación. En su mayor parte estos reactivos químicos funcionan de manera que crean una superficie o una estructura que
permite absorber o atrapar fácilmente las burbujas de aire. Los reactivos químicos inorgánicos, tales como las sales de hierro o de aluminio y la sicilice activada, se emplean para agregar las partículas sólidas, de manera que se cree una estructura que facilite la absorción de las burbujas de aire. También se pueden emplear diversos polímeros orgánicos para modificar la naturaleza de la interfase aire-líquido, solido-líquido, o de ambas a la vez. Por lo general, estos compuestos actúan situándose en la interfase para producir los cambios deseados ( METCALF & EDDY, 2000). Los aditivos químicos pueden clasificarse en:
Colectores:
Espumantes:
Son sustancias orgánicas que se adsorben en la superficie del mineral, confiriéndole características de repelencia al agua. Son agentes tensoactivos que se adicionan a objeto de: Estabilizar la espuma Disminuir la tensión superficial del agua Mejorar la cinética de interacción burbuja - partícula el fenómeno de Disminuir unión de dos o más burbujas (coalescencia)
Modificadores:
sirven como activadores, depresores o modificadores de pH, se usan para intensificar o reducir la acción de
los colectores sobre la superficie del material.
MÉTODOS DE FLOTACIÓN
Flotación atmosférica
a
presión
Consiste en la introducción directa en el agua residual a tratar de pequeñas burbujas de aire, mediante la utilización de difusores de burbuja fina, situados en el fondo del tanque de flotación. La eficiencia de este sistema es baja en la separación de sólidos en suspensión, aunque ofrece una cierta ayuda en la separación de aceites y grasas, como en el proceso de desarenación aireado, debido al bajo número de capturas de sólidos por las burbujas de aire inyectadas. Debido a los bajos rendimientos que se obtienen, este sistema prácticamente no se emplea de forma habitual en plantas de tratamiento de aguas residuales.
Flotación por disolución de aire
En este sistema el aire es disuelto hasta saturación en el agua residual bajo una presión entre cuatro y seis atmósferas, seguido de una descompresión a presión atmosférica. Cuando la presión del líquido disminuye, el gas disuelto en exceso es liberado en forma de finas burbujas, a lo largo de toda la masa del líquido. Por otra parte, la generación de microburbujas, tiene tendencia a formarse en la interfase sólido-líquido, produciéndose la fijación del aire sobre las partículas y en consecuencia facilitando la flotación de las mismas.
Como ya se ha indicado anteriormente, la flotación se lleva a cabo sometiendo el agua residual a tratar mezclada con aire a presión, hasta conseguir su saturación, siendo el tiempo preciso para esta operación de unos pocos minutos. A través de una válvula despresurizadora, el agua a presión y saturada en aire a esa presión, se introduce en un tanque atmosférico, formándose en toda la masa del líquido una gran cantidad de microburbujas (de 30 a 120 micras de diámetro) que se fijan a los cuerpos a eliminar y son arrastrados hacia la superficie, donde unas barrederas retiran las espumas formadas. Igualmente que sobre los sólidos en suspensión, las microburbujas se fijan sobre las gotas de grasas y aceites, provocando su separación. El líquido clarificado es retirado por la superficie, mediante vertedero protegido por deflectores que evitan fuga de flotables. Las partículas en suspensión de densidad elevada que pueda llevar el agua residual y que no sean capturadas por las burbujas de aire, pueden decantar en el tanque de despresurización, siendo arrastradas por unas rasquetas de fondo y purgados en forma de fangos de manera periódica, al igual que en los decantadores. El proceso indicado anteriormente, además de las aplicaciones ya mencionadas, se utiliza con grandes ventajas sobre otros sistemas para el espesado de los fangos biológicos, o bien de aquellos fangos con sólidos de baja densidad. Este proceso de disolución de aire es el más utilizado en los tratamientos de aguas residuales, ahora bien, en la
práctica existen diferentes variantes y de las cuales las más importantes son: o
Presurización de todo el caudal
En este sistema, todo el caudal de agua residual a tratar en la unidad pasa a través del calderín de presurización. Las características más importantes de esta variante son: • Produce una disolución de aire máxima y genera la mayor cantidad de burbujas, con una distribución óptima de las mismas a lo largo de toda la masa de agua. • Producen las mejores condiciones para la formación de las microburbujas en la interfase sólido-líquido. • El consumo energético es el más elevado de todas las variantes, precisando un equipo de presurización de gran tamaño. o
Presurización recirculación
de
la
En esta variante, una parte del efluente del tanque de flotación es recirculado e introducido en el sistema de presurización, pasando el agua a tratar directamente al mencionado tanque. Este sistema es el utilizado de forma generalizada. Las características más importantes de este sistema de operación son las siguientes: • Requiere presurización,
menor equipo de y en consecuencia
menor consumo energético, al ser el caudal de recirculación menor que el de aporte al sistema. • Evita la formación de coloides y emulsiones al no pasar por el sistema de bombeo el agua bruta a tratar, optimizando la formación del flóculos en aquellas plantas con coagulación floculación previa al sistema de flotación. • La cantidad de agua a recircular es función directa de los sólidos en suspensión y aceites a eliminar (Sastre, 2005).
Flotación por aire inducido (IAF)
En este caso el aire se introduce en el agua mediante turbinas o bien eyectores, presentándose en unidades compactas.
Imagen 4: sistema de flotación por aire inducido, 1-La parte superior del
rotor aspira aire a través del tubo central para mezclarlo con la pulpa; 2-El dispersor rompe al aire en burbujas diminutas; 3-La parte inferior del rotor conduce la pulpa hacia arriba En este modelo, el sistema de aspiración y dispersión del aire preciso, se basa en la función de un rotor que al girar produce la mezcla íntima del aire con el agua residual objeto de la flotación. El rotor hace que la posibilidad de contacto entre las burbujas y las partículas sólidas contenidas en el líquido sea alta, con el máximo rendimiento de la flotación. Los sólidos en suspensión y las grasas y aceites, se adhieren a las burbujas y suben a la superficie en forma de espumas que rebosan por unos vertederos laterales.
Flotación por Vacío
La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual directamente en el tanque de aireación, o permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración de una bomba. Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma de burbujas diminutas. Las burbujas y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden entonces a la superficie para formar una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y demás sólidos pesados, que se depositan en el fondo, se transportan hacia una central de lodos para su extracción por bombeo. En el caso de que la instalación esté
prevista para la eliminación de las arenas y si el lodo ha de ser digerido, es necesario separar la arena del lodo en un clasificador de arena antes del bombeo a los digestores.
De este modo se forman los complejos de la flotación (3), que emergen y forman un producto-espuma o concentrado (4), que se aparta por el conducto o canaleta para espuma (5). Las partículas hidrófobas se quedan en la pulpa y se eliminan por el la tubería de relave para descargar el producto de cámara (6).
VARIABLES OPERACIONALES RELEVANTES EN EL PROCESO DE FLOTACIÓN Algunas de las variables de mayor importancia para el proceso de flotación son (Carrillo, Verdejo, & Germán, S.F):
Imagen 5: flotación por vacío, A-aire; Balimentación; C-concentrado; D-relave. 1-tuberia de alimentación; 2-celda; 3-complejo de flotación; 4-concentrado, 5-canaleta para espuma; 6-tuberia de relave El aire dentro de la máquina se enrarece, el abastecimiento inicial entra al cuerpo de celda (2) por la tubería de alimentación (1). Cuando la pulpa entra al cuerpo de celda (2), los gases diluidos en el líquido, por el cambio de presión, empiezan a disociarse más que nada sobre la superficie de las partículas hidrófobas.
Granulometría: Adquiere gran importancia dado que la flotación requiere que las especies minerales útiles tengan un grado de liberación adecuado para su concentración.
Tipo
de
Reactivos: Los
reactivos pueden clasificarse en colectores, espumantes y modificadores. La eficiencia del proceso dependerá de la selección de la mejor fórmula de reactivos.
Dosis
de
Reactivo: La
cantidad de reactivos requerida en el proceso dependerá de las pruebas metalúrgicas preliminares y del balance económico desprendido de la evaluación de los consumos.
Densidad de Pulpa: Existe un porcentaje de sólidos óptimo para el proceso que tiene influencia en el tiempo de residencia del mineral en los circuitos.
Aireación: La
Regulación
aireación permitirá aumentar o retardar la flotación en beneficio de la recuperación o de la ley, respectivamente. El aire es uno de los tres elementos imprescindibles en el proceso de flotación, junto con el mineral y el agua.
del
pH: La
flotación es sumamente sensible al pH, especialmente cuando se trata de flotación selectiva. Cada fórmula de reactivos tiene un pH óptimo ambiente en el cual se obtendría el mejor resultado operacional.
Tiempo
de
Residencia: El
tiempo de residencia dependerá de la cinética de flotación de los minerales de la cinética de acción de reactivos, del volumen de las celdas, del porcentaje de sólidos de las pulpas en las celdas y de las cargas circulantes.
Calidad del Agua: En las Plantas la disponibilidad de agua es un problema. Normalmente se utiliza el agua de recirculación de espesadores que contiene cantidades residuales de reactivos y sólidos en suspensión, con las consecuencias respectivas
derivadas por este flujo de recirculación.
ESTUDIOS PREVIOS Debe realizarse ensayos a nivel de laboratorio y planta piloto, ya que ésta depende del tipo de partículas. Los factores que deben ser considerados en el diseño incluye la concentración de sólidos, cantidad de aire usado, velocidad de ascenso de las partículas y la carga de sólidos. Para los ensayos de laboratorio se recomienda el uso de la celda de flotación. Para optimizar el proceso de flotación debe determinarse el pH, la dosis de coagulante óptima y el porcentaje de recirculación de agua presurizada. Debe emplearse la prueba de jarras con vasos adaptados para realizar ensayos de flotación (inyección de agua presurizada por el fondo) o un piloto de flotación.
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 1. Sistema de saturación de aire Para la saturación de aire pueden emplearse los siguientes sistemas: Inyección de aire dentro del agua en un tanque a presión o saturador, percolado del agua sobre un lecho empacado, rociado del agua dentro de un saturador sin empacar, inyectores e inyección de aire dentro de la tubería de succión en la bomba de recirculación.
2. Sistema de producción de burbujas En la selección del tipo de método que se empleara en la generación de burbujas debe considerarse lo siguiente:
a) Flotación por aire disperso: En caso de emplear turbinas debe cuidarse que la turbulencia generada para producir las burbujas no rompa los flóculos formados. En caso de emplear un dispersor debe adicionarse un surfactante para lograr un tamaño de burbujas adecuado.
b) Flotación electrolítica: Debe considerarse el alto costo del cambio frecuente de los electrodos y la posible contaminación del agua con metales pesados por la disolución del material del electrodo.
PARÁMETROS DE CONTROL DEL PROCESO Los factores que deben ser controlados en la operación de esta tecnología son (Ministerio de desarrollo económico, 2000):
Saturación del agua a dispersar Adhesión de flóculo y burbujas de aire de las burbujas Tamaño producidas Naturaleza y tamaño de las partículas Tipos de químicos adicionados
REFERENCIAS
c) Flotación por aire disuelto: La descarga de agua debe ser presurizada de 50 a 70 psi en presencia de suficiente aire
PARÁMETROS DE DISEÑO Se recomiendan los siguientes criterios: 1. Sistema de saturación de aire a. La presión debe estar entre 350 kPa a 420 kPa. b. La razón de recirculación de agua presurizada debe ser de 8 a 10 g de aire/m3 de agua tratada. 2. La carga superficial debe ser de 200 m3/ (m2.día) a 300 m3/ (m2.día). 3. Tiempo de contacto mínimo de 5 min a 15 min.
Metcalf & Eddy. (2000). Ingenieria de las aguas reciduales. Madrid: mc graw hill. Caro, D. P. (2011). Implementación de una columna de flotación para reducir el contenido de cenizas en carbones magallánicos. Punta arenas, chile. Ministerio de desarrollo económico. (17de nobiembre de 2000). Reglamento tecnico de agua potable y saneamiento basico (RAS). Santafé de bogotá d.c, republica de colombia. Sainz sastre, j. A. (2005). Tecnologías para la sostenibilidad: procesos y operaciones unitarias en depuración de aguas residuales. Eoi esc.organiz.industrial.
