Universidad Tecnológica Metropolitana. Facultad de ciencias naturales, matemáticas Y del medio ambiente. Ingeniería en Química.
Ingeniería Ambiental I Laboratorio Nº3
Ensayos de Jarra (Jar Test)
Profesores : Integrantes :
Fecha entrega :
María E. Astudillo G. Edith Rodríguez Gabriel Ál Álvarez Fabiola Belmar Romina González Giovanni López Sara Muñoz 14/7/2010
ÍNDICE •
Introducción………………………………...……………………………………pág.
3 Marco Teórico... …………………………………………………………………..pág. 4 •
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Objetivos……………………………………………………………………….....pág.
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Materiales y equipos………………………………………………………….......pág.
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Procedimiento experimental.……………....................………..……..............…… pág. 8 •
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Resultados…….…………………………………………………………..………pág.
9 Cuestionario…………………………………………………………………... …..pág.10 •
Discusión……………………………………………………….……….. ………..pág.16 •
Conclusiones……….…………………………………………....………. ………..pág.17 •
Bibliografía………………………………………………………….….………… pág.18 •
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Introducción. Las aguas naturales raramente son de calidad satisfactoria para el consumo humano o el uso industrial y casi siempre deben ser tratadas. El nivel de tratamiento necesario dependerá de cuan aceptable o pura sea el agua natural El tratamiento estándar es el conjunto de procesos unitarios que reducen el color, la turbidez y las impurezas a niveles aceptables. Al hacerlo así, se producen ventajas adicionales, tales como reducciones en hierro y manganeso, reducciones en algas, en patógenos, etc. Se puede considerar que el tratamiento estándar consiste en los siguientes procesos unitarios: • Sedimentación • Coagulación y floculación • Sedimentación de partículas floculadas • Filtración El aparato de Jar Test se muestra en la figura está compuesto por varios vasos de laboratorio de un litro con muestras del agua bruta. A cada uno se le añade una cantidad distinta y creciente de coagulante y le sigue una mezcla rápida durante 20 a 60s. Se dejan sedimentar las muestras, la muestra con las mejores características de sedimentación se selecciona como coagulante. Después de una serie de ensayos, es posible determinar la combinación de mejor dosis de coagulante.
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Marco Teórico Las aguas naturales raramente son de calidad satisfactoria para el consumo humano o el uso industrial y casi siempre deben ser tratadas. El nivel de tratamiento necesario dependerá de cuan aceptable o pura sea el agua natural. El tratamiento estándar para las aguas residuales es el conjunto de procesos unitarios que reducen el color, la turbidez y las impurezas a niveles aceptables. Al hacerlo así, se producen ventajas adicionales, tales como reducciones en hierro y manganeso, reducciones en algas, en patógenos, etc. Se puede considerar que el tratamiento estándar consiste en los siguientes procesos unitarios: 1• Sedimentación 2• Coagulación y floculación 3• Sedimentación de partículas floculadas 4• Filtración 5 Sedimentación: La sedimentación es por definición la separación Sólido-liquido, una decantación por gravedad para separar los sólidos en suspensión (Reynolds,1982). En tratamiento de aguas los procesos de sedimentación utilizados son: Tipo I. Para sedimentar partículas discretas no floculadas en una suspensión • diluida. Esto puede presentarse debido a la decantación de aguas superficiales antes del tratamiento por filtración de arena. Tipo II. Para sedimentar partículas floculadas en una suspensión diluida. Esto • puede presentarse después de la coagulación química y floculación donde las partículas no discretas se les ayuda químicamente a coagular. Otros tipos de sedimentación son combinaciones de I y II. • Coagulación: La materia particulada en suspensión tiene una gama de tamaños de 10-7 a 10-1mm. Los coloides de arcilla inorgánicos oscilan en tamaño de 10-6 a10-3mm. y forman el componente mayoritario de las partículas en suspensión, el componente minoritario constituyen los microorganismos y los coloides orgánicos. La mayoría de las partículas en suspensión tiene una carga negativa, esto significa que se repelen unas a otras y así se mantienen en suspensión, las partículas que se mantienen en suspensión se dicen que son
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estables, el coagulante aporta iones con carga positiva, cambia la carga electrostática y de este modo quedan desestabilizadas, se atraen unas a otras, se aglomeran y decantan. Es esencial el tratamiento previo del agua con algún coagulante, no solo para eliminar por sedimentación gran parte de la materia en suspensión, sino porque las partículas coloidales en suspensión y las bacterias forman una sustancia gelatinosa que se adhiere a los granos de arena. Los coagulantes químicos se añaden al agua bruta y se lleva a cabo una mezcla rápida durante un breve periodo (20 a 60 s). Esto se hace en tanques, con el objetivo de formar un microflóculo. Este se produce como resultado de la desestabilización de las impurezas inicialmente estables en suspensión. Los tres coagulantes químicos mas conocidos son: - Sulfato de aluminio (alumina) - Sulfato ferroso - Cloruro férrico Floculación: Habiéndose formado el microflóculo (que aun no es muy sedimentable), el objetivo entonces es producir un flóculo de tamaño adecuado que pueda sedimentar por gravedad. El proceso siguiente es someter la solución de microflóculo a un proceso de Floculación lenta . Esto se lleva acabo en depósitos durante un periodo de tiempo de 20 a 60min a velocidades de agitación muy lentas. Si el rotor del mezclador de floculación va demasiado rápido, hay riesgo de romper el microflóculo inicial y así invalidar el proceso. Dependiendo de la calidad del agua bruta, la formación del microflóculo puede ser inadecuada solo con coagulantes químicos y puede precisar de ayudas a la coagulación, también conocidos como polielectrolito s, estos se añaden después del coagulante en una pequeña cuba de mezcla rápida y antes del mezclado para floculación. La cantidad de coagulante químico y/o polielectrolito necesaria para una cantidad concreta de agua bruta se puede determinar mediante el ensayo de coagulación (conocido como Prueba de Jarras o Jar test) en laboratorio. El Jar Test es una alternativa en el tratamiento de aguas residuales, tanto domésticas como industriales, y es el proceso fisicoquímico que consiste en remover con ayuda de coagulantes, principalmente sales metálicas y/o polielectrolitos, los sólidos suspendidos o disueltos que poseen y de esta manera, la carga orgánica potencialmente peligrosa para la salud. La dosis mínima de coagulante se denomina “dosis crítica de solución”, siendo ésta la dosis que consigue hacer inestable al coloide. Si se añade una dosis superior a la mínima, entonces se forma hidróxido metálico que precipita. Este es el punto óptimo de la coagulación, en el que las partículas que precipitan arrastran y engloban las partículas de coloide previamente neutralizado por las formas complejas, aumentando la velocidad de coagulación de los coágulos. Cuando se desea eliminar el material coloidal que se halla suspendido en una masa de agua, no existen formas simples de calcular las dosis requeridas para lograr una óptima clasificación del fluido. Es por esta razón que la dosis necesaria para un determinado tratamiento, se determina por métodos experimentales de laboratorio. Las pruebas que se utilizan para este fin, se conoces como “Pruebas de Jarra” (Jar test) y tiene por objeto determinar la dosis de coagulante mediante simulación de tres procesos básicos que se realizan en la planta Mezcla rápida. • Mezcla lenta. •
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Decantación. Este equipo consiste en una serie de agitadores mecánicos controlados por un aparato que regula su velocidad y una lámpara de iluminación como se destaca en la figura. •
OBJETIVOS •
Conocer el procedimiento para llevar a cabo estudios de tratabilidad de un agua mediante coagulación- floculación.
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Realizar ensayos de coagulación- floculación en muestras de aguas residuales industriales. Donde a partir de los resultados se seleccionaran las condiciones de tratamiento y la dosis de los reactivos necesarios para cada aplicación concreta.
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Lograr la decantación de compuestos químicos, en donde se utilizan compuestos químicos capaces de formar complejos y lograr decantar.
Determinar cuál es el mejor pH para la sedimentación de los contaminantes en el agua de la minera diluida.
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MATERIALES Y EQUIPOS
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Equipo Jar – Test.
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Reactores de 600 a 1000 ml.
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Propipetas.
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Pinzas.
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Gotarios.
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Pipetas graduadas de 1, 2, 5, 10, 20 y 25 ml.
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Turbidimetro.
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Papel pH.
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Baguetas 7
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Muestra diluida de agua
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Solución de Cloruro férrico 1%.
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Solución de NaOH 9N.
Equipo de laboratorio para ensayar diferentes productos químicos a utilizar posteriormente en el tratamiento físico químico. El equipo posee 6 puestos con regulación de la velocidad de agitación y programación del tiempo de ensayo.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1. Determinamos la turbiedad y el pH de la muestra. 2. Llenar cada uno de los reactores con 500ml de muestra diluida. 3. Colocamos los reactores en el equipo, prendimos las lámparas y conectamos los agitadores (estabilizando su rotación a 200 rpm). 8
4.
A cada uno de los 5 reactores se le agrego 2,5ml de FeCl3 y seguidamente se llevaron a distintos pH con NaOH, realizándose las siguientes operaciones:
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Al primer reactor agregue 2,5mg/l de FeCl3 y aumente el pH hasta 3 agregando gotas de NaOH 9N.
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Al segundo reactor agregue 2,5mg/l de FeCl3 y aumente el pH hasta 4
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Al tercer reactor agregue 2,5mg/l de FeCl3 y aumente el pH hasta 5
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Al cuarto reactor agregue 2,5mg/l de FeCl3 y aumente el pH hasta 7
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Al quinto reactor agregue 2,5mg/l de FeCl3 y aumente el pH hasta 9
5.
Pasado un minuto de mezcla rápida, estabilizamos las rotaciones a 120 rpm por 5 minutos, suspendimos la agitación y dejamos el sistema en reposo. Observamos y describimos lo que ocurrió en cada uno de los vasos.
6. Registramos las observaciones correspondientes y establecimos el resultado óptimo donde los valores de color y turbiedad fueron los más bajos.
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Resultados Los resultados que se presentarán a continuación, son el reflejo de la experiencia de laboratorio correspondiente a los “Ensayos de Jarra”, estos resultados fueron tomados a lo largo de la experiencia. A continuación se ejemplificarán los resultados en cada jarra, donde se podrán apreciar los colores finales que arrojó la experiencia de laboratorio:
Observaciones generales: •
Se pueden distinguir que a mayor pH, de cada jarra el color fue tornándose más oscuro.
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Los metales presentes en la solución de cada jarra, a las cuales se les agregó gotas de NaOH precipitan a un cierto pH característico para cada jarra.
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Se observó que a un mayor pH, la solución presente en las jarras precipita más rápido.
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Se observa claramente la separación de fases en cada jarra, tomándose como parámetro la jarra a pH 5, esto debido a que en ella hubo una gran cantidad de precipitado y el sobrenadante fue más transparente que el resto de las jarras, es por ello, que se le eligió como la mejor jarra de las cinco.
Cuestionario 1.- Describa los procesos de coagulación y floculación Coagulación: El proceso de la llamada coagulación, tiene sus bases en añadir al agua un electrolito, llamado coagulante, el cual puede ser habitualmente una sal de hierro o aluminio. Su proceso se lleva a cabo con la liberación de iones positivos capaces de atraer a las partículas coloidales y neutralizar su carga o, mediante la formación de productos de baja solubilidad que precipitan arrastrando los coloides. La optimización del proceso de coagulación depende de tres factores muy importantes, los cuales son: pH, agitación y tipo de coagulante. El pH es un factor crítico en el proceso de coagulación. Para cada electrolito existe un margen de trabajo, fuera del cual se desaprovecha el producto y disminuye el rendimiento del proceso. Para la corrección de los márgenes de trabajo, es posible la adición de coadyuvantes, como por ejemplo cal viva o apagada, carbonato sódico, sosa caústica o ácidos minerales. Por otro lado, la agitación de la mezcla permitirá una distribución homogénea de los reactivos antes de que comience a formarse el coágulo. Teniendo en cuenta que el tiempo de coagulación es muy corto, esta mezcla debe realizarse en el menor tiempo posible mediante la aplicación de agitación mecánica. Por último, los coagulantes existentes en el mercado poseen unos rangos de pH de trabajo y dosis ya conocidos, pero, para concretar estos valores exactamente, será preciso realizar ensayos de laboratorio para cada caso. Floculación: La floculación es un proceso que pretende unificar los coágulos formados en grandes partículas capaces de sedimentar con mayor velocidad. Para ello, se introduce un agente floculante y se somete el agua a tratar a una agitación muy lenta, que asegure la mezcla de los reactivos a la vez que no rompe los flóculos formados. Los floculantes empleados pueden ser minerales, como por ejemplo, la sílice activada, u orgánicos, caracterizados ambos por ser macromoléculas de cadena larga y alto peso 11
molecular. Los de origen sintético se obtienen a partir de monómeros simples sintéticos y, los naturales, de menor eficacia, se obtienen a partir de extractos de algas, almidones y derivados de la celulosa. Los más empleados son los minerales, también denominados polielectrolitos por sus cargas eléctricas. Según su naturaleza serán no iónicos, aniónicos o canónicos y su elección dependerá siempre de ensayos de laboratorio.
Los floculantes minerales actúan de forma similar a los coagulantes; rebajando la carga de las partículas para desestabilizarlas y unirlas, o mediante la formación de puentes entre las partículas para crear un gran polímero que decanta por aumento de densidad. Todo este proceso se estimula por una correcta coagulación, una agitación lenta y temperaturas ambientales medias o altas. En la práctica, estos procesos se realizan habitualmente en cámaras separadas. La adición de coagulantes se efectúa en un mezclador rápido o coagulador dotado de hélice o turbina con unos tiempos de retención de 20 segundos a 5 minutos. La floculación puede tener lugar en un floculador provisto de un sistema de agitación lenta o en el interior de un decantador, en el que, finalmente, se recogen en su fondo troncocónico los fangos decantados mediante un sistema de rasquetas y bomba de fangos. El agua clarificada se elimina por la parte superior del decantador y se conduce al siguiente paso en su depuración; el tratamiento secundario o biológico. Para pequeñas depuradoras, existe la posibilidad de realizar todo el proceso en un mismo decantador separado anularmente en tres zonas, además de contar con un sistema de recirculación de fangos para mejorar el crecimiento de las partículas y facilitar su sedimentación. En la actualidad la práctica totalidad de las depuradoras de aguas residuales emplean estos sistemas de tratamiento, existiendo una serie de diseños de cámaras de mezcla y decantadores bastante estandarizados, Las mayores diferencias entre equipos se encuentran entre los compactos, que realizan todas las funciones en una misma cámara y, en los tratamientos de aguas más específicas, como por ejemplo, las aguas residuales industriales. 2.- Investigue sobre los coagulantes y floculantes mas utilizados en tratamientos de agua. a) Tipos de coagulantes y floculantes usados en el tratamiento de agua:
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Coagulantes:
Sulfato de aluminio Al2(SO4)3: El sulfato de aluminio es el coagulante más usado. Es un sólido de cristal grisáceo, aunque también se encuentra en soluciones concentradas. Se le conoce como alúmina o alumbre. Reacciona con la alcalinidad del agua y con los fosfatos. Sulfato ferroso (FeSO4): Se usa generalmente junto con la cal (CaO) o junto con el cloro para llevar a cabo una coagulación efectiva. La reacción del FeSO4 con la cal hidratada se ve favorecida a pH altos. Sulfato férrico Fe2(SO4)3: El sulfato férrico está disponible comercialmente en forma granular de color marrón rojizo. Es muy soluble en agua. Puede reaccionar con la alcalinidad del agua o con materiales alcalinos añadidos como la cal. En general, los coagulantes férricos son efectivos dentro de un gran rango de valores de pH. El sulfato férrico es efectivo para eliminar colores a pH bajos, en cambio a pH altos puede ser usado para eliminar hierro y manganeso. Cloruro férrico (FeCl3): Está disponible en fase sólida y líquida. Se genera por la oxidación del sulfato ferroso con cloro. Éste método tiene la ventaja de que la coagulación puede ser llevada bajo diferentes pH (entre 4,8 y 11). Es usado en tratamientos de aguas residuales e industriales. Reacciona con la alcalinidad del agua y con los compuestos alcalinos añadidos. Floculantes usados en tratamiento de aguas, según su naturaleza:
Minerales: por ejemplo la sílice activada. Se le ha considerado como el mejor floculante capaz de asociarse a las sales de aluminio. Se utiliza sobre todo en el tratamiento de agua potable. Orgánicos: son macromoléculas de cadena larga y alto peso molecular, de origen natural o sintético. Los floculantes orgánicos de origen natural se obtienen a partir de productos naturales como alginatos (extractos de algas), almidones (extractos de granos vegetales) y derivados de la celulosa. Su eficacia es relativamente pequeña . Los de origen sintético, son macromoléculas de cadena larga, solubles en agua, conseguidas por asociación de monómeros simples sintéticos, alguno de los cuales poseen cargas eléctricas o grupos ionizables por lo que se le denominan polielectrolitos. Según el carácter iónico de estos grupos activos, se distinguen: Polielectrolitos no iónicos: son poliacrilamidas de masa molecular comprendida entre 1 y 30 millones.
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Polielectrolitos aniónicos: Caracterizados por tener grupos ionizados negativamente (grupos carboxílicos). Polielectrolitos catiónicos: caracterizados por tener en sus cadenas una carga eléctrica positiva, debida a la presencia de grupos amino. La selección del polielectrolito adecuado se hará mediante ensayos jartest. En general, la acción de los polielectrolitos puede dividirse en tres categorías: En la primera, los polielectrolitos actúan como coagulantes rebajando la carga de las partículas. Puesto que las partículas del agua residual están cargadas negativamente, se utilizan a tal fin los polielectrolitos catiónicos. •
La segunda forma de acción de los polielectrolitos es la formación de puentes entre las partículas. El puente se forma entre las partículas que son adsorbidas por un mismo polímero, las cuales se entrelazan entre sí provocando su crecimiento. •
La tercera forma de actuar se clasifica como una acción de coagulación formación de puentes, que resulta al utilizar polielectrolitos catiónicos de alto peso molecular. •
Además de disminuir la carga, estos polielectrolitos formarán también puentes entre las partículas. b) Corresponden a un proyecto realizado en Ciudad de México, en el tratamiento de aguas residuales, donde se mostrará una tabla que refleja los productos usados en este estudio. Tabla 1.- Características de los coagulantes empleados Coagulante Sulfato de Amonio
PAX XL 60
Descripción Es un policloruro de aluminio de basicidad medio en presentación líquida.
Densidad 1.23
Observaciones
1.31
7.5 % de Aluminio
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TECHNIFLOC Floculantes PLUS
PROSIFLOC.
FERRIX TECHNIFLOC 4800
TANFLOC
2PNOD2R
Es un coagulante prepolimerizado de alta basicidad, siendo formulado porCarga una alta Descripción concentración de Aluminio. Es una acrilamida en Aniónica polvo de alto peso molecular Es un coagulante con alto grado Es un primario floculante de efectividad, basado en polvo en hierro trivalente de alto peso Catiónica (Fe3+ molecular y).
1.31 Viscosidad CPS
12.7% Peso de Aluminio Molecular
850
16 Millones
800-850
20.5± 1% de Hierro 20 1% 16±Millones <0.5
-
0.19 Millones
de alta densidad de Polímero orgánico carga. catiónico (sal cuaternario de amonio tanínico), Es un floculante en polvo de bajo peso molecular
Anfotérico
Tabla 2.- Características de los floculantes empleados
Los coagulantes evaluados son representativos de los productos más eficientes y ampliamente utilizados en el tratamiento de aguas residuales. De estos coagulantes, tres son derivados del aluminio (sulfato de aluminio con carga 3+ y policloruros de Aluminio con cargas 5+ y 7+). Uno de ellos, es un policloruro de Hierro (FERRIX) y el último es un compuesto de origen natural (TANFLOC) que es altamente eficiente y no tóxico para los organismos. Este coagulante ha sido desarrollado en los últimos cinco años por un centro de investigación brasileño. Los floculantes se seleccionaron para probar el efecto de las distintas cargas eléctricas que éstos pueden tener. Se seleccionó un producto catiónico, uno aniónico y uno zwitteriónico. Este último fue desarrollado a través de un convenio interinstitucional realizado entre el Instituto de Ingeniería (UNAM) y la Universidad Autónoma Metropolitana. 3.- Investigue sobre la importancia de controlar el pH en los procesos de tratamiento de agua
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La concentración del ion hidrogeno es un importante parámetro de calidad tanto para aguas naturales como aguas residuales. El intervalo de concentración para la existencia de la mayoría de la vida biológica es muy estrecho y critico. El agua industrial con una concentración adversa de ion de hidrogeno es difícil de tratar con métodos biológicos y si la concentración no se altera antes de la evacuación, el efluente puede alterar la concentración de las aguas naturales. El pH de los sistemas acuosos puede medirse convencionalmente con un pH-metro, así como se pueden utilizar indicadores que cambian de colora determinados valores de pH. pH=-log[H+] La alcalinidad en el agua residual se debe a la presencia de hidroxilo, carbonatos y bicarbonatos de elementos tales como calcio, magnesio, sodio, potasio o amoniaco, esta alcalinidad la va adquiriendo del agua de suministro, del agua subterránea y de materias añadidas durante el uso domestico. La concentración de alcalinidad en el agua residuales importante deba efectuarse un tratamiento químico o muestras en que se deba eliminar el amoniaco. A distintos pH, se formarán distintos compuestos, los cuales precipitarán a medida que el pH sea favorable para su formación, teniendo diversos compuestos en una solución contaminante que precipitarán, a medida que se vuelva más ácida o básica la solución.
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Discusiones El procedimiento para realizar este experimento es simple y fácil de realizar. Es importante fijarse en la cantidad de reactivos que se va agregando a cado una de las jarras, el cambio de pH y el inicio de la formación de flóculos. Debido a la información de cada uno de los parámetros mencionados se puede determinar cual es la mínima concentración necesaria para que ocurra la floculación. Existen modelos matemáticos para determinar la dosis óptima que se debe agregar al reactor para obtener un proceso de floculación. Estos modelos matemáticos relacionan el tiempo crítico de sedimentación y la velocidad de sedimentación de la fase sólida generada. La mayor velocidad de agitación se debe principalmente a que una mayor cantidad de material floculado requiere de una mayor velocidad de agitación a fin de lograr un mejor proceso de mezclado. En el caso del tiempo de agitación menor, se debe principalmente a que un exceso de trabajo de agitación sobre las partículas floculadas favorece que el flóculo ya formado se rompa. •
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A medida que el pH se volvía más básico, las partículas contaminantes del agua examinada iban sedimentando más rápidamente, considerando que a todas las muestras analizadas se les agregó 2.5 mg/L de cloruro férrico, pero las que llegaron a un pH 5 y pH 7 fueron las mejores, ya que tenían gran cantidad de precipitado y el sobrenadante mas incoloro que el resto. Por lo tanto son estas dos muestras las que se debería seguir investigando para saber cuál es la cantidad precisa de pH.
El agua que se utilizó en el laboratorio tenía un gran contenido de metales, ya que era agua de una minera, es decir un tipo de agua muy difícil de purificar y muy dañina para la naturaleza. Pero mediante el test de jarra se pudo visualizar el cambio ocurrido al alcalinizar la solución, se produjo un cambio de fase inmediato, siendo los mejores resultados como se dijo anteriormente el frasco que contenía pH 5 y 7.
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Conclusión A través del siguiente informe fue posible observar como pueden purificarse desechos líquidos mediante la sedimentación de los contaminantes, los cuales precipitaran por efecto de la gravedad al adherirse partículas de floculante. Esto pudo ser observado a distintos pH con condiciones iguales de homogenización y temperatura. Los resultados más óptimos corresponden a la solución a pH 5, en donde precipitó alrededor de un tercio de la solución con sólidos de color café amarillo, sin embargo su elección se baso en la transparencia que presentó el sobrenadante, a diferencia de las otras soluciones que quedaron mas turbias. Por lo tanto el pH es el principal responsable de la mayor o menor sedimentación. Finalmente podemos decir, que el método de jarra, constituirá un factor primario y preponderante en el estudio de cualquier instalación de una planta de tratamiento, tanto de riles como de aguas naturales. Aunque implican un costo permiten ahorrar en la inversión, ya que se pueden descartar procesos que no se adapten al tipo de influente, prever interferencias y determinar los parámetros para el correcto dimensionamiento y operación de una planta.
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BIBLIOGRAFIA •
http://www.uclm.es/profesorado/jvillasenor/esp/pdar/jartest.pdf
•
http://www.life-eaucuir.inescop.es/1equipos_laboratorio_espanol.pdf
•
http://www3.uclm.es/profesorado/giq/contenido/dis_procesos/tema5.pdf
“La contaminación ambiental en México”. Escrita por Blanca E Jiménez Cisneros, Blanca Elena Jiménez – Limusa Noriega editores, Pagina 208.
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