SANTIAGO SUR INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGIA LABORATORIO DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE RESIDUOS
Análisis de aguas residuales por tratamiento primario; coagulación coagulación y floculación por agentes químicos.
Nombre Alumno (s): Walter Aguiar Alonso Javier Maldonado Erick Guiñez Bozo Manuel Torres M. Nombre Profesor: Silvio Montalvo Fecha: 29de septiembre de 2010
Índice Tema
pág.
1. Introducción...3 1.1. Objetivo principal 1.2. Objetivo específicos
2. Marco teórico4-6 3. Materiales y Métodos....7-8 3.1. Materiales 3.2. Metodologías
4. Resultados.. 9-10 5. Discusiones.... 11 6. Conclusiones.....12 7. Bibliografía...13
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Introducción El tratamiento de agua puede subdividirse en cuatro etapas: clarificación, desinfección, acondicionamiento químico y acondicionamiento organoléptico. El presente informe se realiza la etapa de clarificación mediante coagulación, floculación, sedimentación y/o filtración, esta consiste en la eliminación de partículas finas. El agua posee tres tipos de impurezas: estas son las físicas, químicas y biológicas. Las impurezas del tipo físicas se le a signan a los sólidos totales las cuales son impurezas del agua estas se pueden dividir o clasificar en partículas no filtrables o en suspensión, filtrables o disueltas y el caso intermedio corresponde a los coloides. Ahora los coloides, cada partícula que los forman se encuentra estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su superficie, esto produce que se repelan dos partículas vecinas (igual que dos polos del mismo signo). Por causa de este fenómeno no se ocasionan choques entre las partículas y las cuales formen así masas mayores, denominadas flóculos, para que las partículas sedimenten. Las operaciones de coagulación y floculación desestabilizan los coloides y consiguen su sedimentación. Esto se lleva a cabo normalmente con la adición de agentes químicos y aplicando energía de mezclado. Existen dos conceptos para entender la clarificación del agua uno es la turbiedad y el otro es el color estos están íntimamente relacionados, el primero es la propiedad óptica de una muestra de diseminar y absorber la luz en lugar de transmitirla en línea recta y el segundo se le llama color aparente al no removerse la turbiedad y de color verdadero de agua si ocurre lo contrario. Para medir la turbiedad del agua esta la primera clase de equipos el turbidímetro de aguja de platino y la bujía de Jackson, los cuales son aptos para medir turbiedades altas. En la segunda clase de equipos está el turbidímetro Hach, que se utiliza para medir turbiedades bajas (nefelometría) y en general el color se determina con tubos Nessler. El color del agua se debe principalmente a materia orgánica o minerales en suspensión o en estado coloidal. En general las sustancias liofílicas son responsables de l a coloración del agua.
Objetivo general: Determinar sólidos suspendidos y sólidos totales por medio de espectrofotometría utilizando los métodos de floculación y coagulación.
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Marco teórico Para realizar el tratamiento de aguas las cuales contienen una composición muchas veces muy compleja o de difícil caracterización a veces resulta complicado aplicar sobre ella mecanismos de tratamiento con microorganismos, o puede darse el caso que el afluente residual sea de una composición altamente coloidal las cuales no pueden ser removidas por un proceso de sedimentación estándar como a los que son sometidos habitualmente los residuales. Para afrontar estos problemas se han propuesto distintos tipos de soluciones en la última década, la utilización de agentes floculantes o agentes coagulantes, los cuales desestabilicen iónicamente las partículas coloidales presentes en el residual, que no son eliminables mediante el uso de la sedimentación convencional. Fundamentalmente se trabaja con compuestos como sales de hierro o aluminio las cuales en solución se disocien efectivamente generándose sus iones los cuales realicen ataques nucleofilicos a las partículas coloidales y desestabilicen las micelas que puedan haber presentes en el residual. Estos agentes contribuyen en que, luego de tal desestabilización, es posible aumentar el tamaño de las partículas coloidales por sobre el umbral de tamaño criterio de coloide (partícula la cual posea una longitud de 0,1 a 1 micra de tamaño) para que así las interacciones generadas por las fuerzas de van der waals hagan que estas moléculas empiecen a aglomerarse y floculen en el estanque, lecho, o reactor en donde se lleve a cabo el proceso, también cabe mencionar que en determinadas circunstancias estos agentes de agregan directamente al afluente del proceso y/o puede pasar posteriormente por un homogeneizador en el caso en que el residual sea muy denso y/o heterogéneo en composición por tanto no se alcanzara a completar el fenómeno de difusión del agente en el residual. A continuación se hará un recordatorio acerca de que es la coagulación y floculación de partículas coloidales en un residual liquido. Fenómenos de interacción intermoleculares involucrados en sedimentación y tratamiento de residuos industriales (RILES) o domésticos.
Coagulación y floculación Son dos de los procesos más importantes dentro de la etapa de clarificación del agua. Se pueden resumir como una etapa en la cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas flóculos tal que su peso específico supere a la del agua y así puedan sedimentar con el resto de partículas presentes en el residual. La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas. La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes químicos (fuerzas de van der waals) entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. Así se formaría, mediante el crecimiento o aglomeración de partículas coaguladas, flóculos cada vez más grandes los cuales sean capaces de sedimentar como particular de tamaños superiores. El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo.
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Modelos Teóricos de la Coagulación y de La Floculación. Existen dos modelos de la coagulación. El modelo físico o de la doble capa, basadoen fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión, El otro modelo es químico, llamado puente químico, que relaciona una dependencia entre el coagulante y la superficie de los coloides. Para la floculación existen también dos modelos. El primero es llamado ortocinético, el cual es promovido por agitación externa principalmente. Influyen partículas de tamaño superior al micrón y tiene relación con los gradientes de velocidad del líquido. El segundo modelo se llama pericinético y se diferencia del primero en que su fuente de agitación es interna.
Modelos Físicos de la Coagulación. a) Modelo de Helmholtz: Su fundamento se basa en dos superficies cargadas eléctricamente y separadas por una distancia d constante. b) Modelo de Gouy Chapman: Introduce el concepto de capa difusa. Para esto usa la ecuación de Poisson, lo que permite calcular las posiciones de equilibrio de los iones de la doble capa. c) Modelo de Stern: Señala que existe la posibilidad de coexistencia de ambas capas. Por tanto, es un modelo de doble capa eléctrica. Hay una capa fija de contraiones que está adherida a la superficie coloidal (en ella el potencial cae rápido). Parte de la capa difusa de contraiones está adsorbida a la superficie de la partícula coloidal y se mueve con ella. La capa fija se compara al modelo de un condensador eléctrico. La superficie del coloide más el solvente adherido forman una placa con carga /q1/ + /q2/ y la capa difusa no adherida, la otra placa con carga q3.
Modelo Químico de la Coagulación. La carga de las partículas coloidales se produce por la ionización de grupos hidroxilo, carboxilos, fosfatos o sulfatos, los cuales pueden estar presentes en la superficie de los coloides. Estos grupos reaccionan con los iones metálicos de los coagulantes lo que genera la posterior precipitación. Así la desestabilización de los sistemas coloidales se ve mejor bajo el punto de vista químico.
En general los coloides hidrofílico requieren mayor cantidad de coagulante que los Hidrofóbico, que no reaccionan químicamente con el coagulante. Entre los coagulantes, el más usado es el sulfato de aluminio (o alumbre). Esta sustancia presenta las siguientes reacciones: a)
Al2 SO4 3 6 H2 Op 2 Al OH3 6 H 3 SO42
Esta reacción va disminuyendo su pH a medida que la r eacción se lleva a cabo hasta un Punto en que se detiene. Si el agua contiene bicarbonatos, el pH puede m antenerse Relativamente constante, ya que estos actúan como amortiguadores. La reacción se puede Ver en (b). b) Al 2 S
4 3
14
3Ca C
¡
¡
2
3
2 p
2 Al
5
¡
3
6 C
2
14
2
3 CaS
¡
4
Floculación. La floculación es el proceso mediante el cual las moléculas ya desestabilizadas entran en contacto, agrandando los flóculos de modo de facilitar la precipitación. La floculación puede presentarse mediante dos mecanismos: floculación ortocinética y pericinética, según sea el tamaño de las partículas desetabilizadas (en general todas las partículas se ven afectadas por ambos mecanismos). Las partículas pequeñas (< 1um) están sometidas a floculación pericinético, motivada por el movimiento browniano,+ mientras que las que presentan un tamaño mayor, están afectadas principalmente por el gradiente de velocidad del líquido, predominando en tal residual una floculación de tipo ortocinética.
Floculación Orto cinética. Se realiza un análisis por el método de Von Smoluchowsky, el cual supone tan solo dos grupos de partículas esféricas en suspensión en el líquido, con diámetros d1 y d2. Supone además que el líquido presenta un gradiente de velocidad no nulo entre uno y otro tipo de partículas. Supone además que el contacto entre estos dos distintos tipos de partículas genera la floculación, quedando a una distancia R entre sus centros:
R !
d1 d 2 2
El número de choques entre las partículas por unidad de volumen y por unidad de tiempo depende del flujo de la suspensión acuosa que pasa a través de una superficie circular de radio R. Si se considera la velocidad relativa entre las partículas u y el gradiente de velocidad en la dirección y como du/dy, entre los centros de las partículas puede considerarse constante, debido a su pequeña magnitud, es posible suponer una variación lineal de la velocidad mediante:
du dy
!
u y
Q ! ´ dq s
dq ! u 2 a dy a ! R y 2
2
1/2
reempl azando Q!
1 du 6 dy
3
d1 d 2
Si existen n1 partículas de diámetro d 1 y n2 partículas de diámetro d 2 por unidad de volumen y estás son cantidades fijas y el gradiente de velocidad constante en toda la masa líquida, se puede expresar el número de choques entre los dos tipos de partículas de la forma siguiente.
6
dN1
!
n1
con G
!
dt
dN1 !
dt d u
1 6
3
n1G d1 d 2
d y
En el caso que G no sea constante se puede asumir un valor promedio de este y con tal definición la expresión anterior se válida para todos los casos. El número de choques de las n 2 partículas con las n 1 partículas será:
dN 2 d t
dN 2 1
! n2 Q
!
d t
6
n2
d1
3
d 2
Y el número total de choques será por tanto el reciproco de la multiplicación de ambas ecuaciones:
dN1 d t
n2 !
dN 2 d t
n1 !
1 6
n2 n1
3
d1 d 2
Esto nos indica que el número de choques es proporcional a la concentración de las partículas, al gradiente de velocidad y al tamaño de las mismas. A medida que aumenta el tamaño de partícula debido a los choques entre ellas, su número disminuye, por lo que en definitiva disminuye el número de choques posibles. Además a medida que los flóculos crecen se hace posible una posible ruptura de ellos por fuerzas de corte existentes en el líquido.
7
Materiales y Métodos Materiales: y
6 vasos precipitados de 500 ml
y
Probeta de 500 ml
y
pH- metro
y
Buffer 4 y 7
y
Agitador #####
y
Reactivo Coagulante A: Al 2(SO4)3. 18H2O
y
Reactivo Coagulante B: FeCl3.6H2O
y
Colador
Métodos Laboratorio A (fecha: 29 de septiembre)
1. Antes de empezar con el tratamiento de coagulación, se tuvo que preparar la muestra de análisis con distintos métodos físicos, en un principio con un colador, se eliminaron los sólidos suspendidos de mayor tamaño. 2. Posteriormente, con una probeta se midieron 500 ml de muestra y se agregaron en un vaso precipitado de 500 ml, se repitió el mismo paso 3 veces. 3. Se pesaron en balanza analítica los gramos de reactivos; 25mg de
FeCl3
y 50 mg de
Al2(SO4)3. Como se realizaron duplicados de cada muestra, se realizaron dos pesados
del coagulante A y dos del coagulante B. 4. Antes de agregar los coagulantes, se ajusto el pH de las soluciones a los valores correspondientes al método de trabajo; 5,5 para FeCl3.6H2O y 7 para Al2(SO4)3. 18H2O. 5. Una vez ajustados los pH, se agregaron los coagulantes a cada muestra y se agitaron a 150 RPM por 1 minuto y seguidamente a 45 RPM por 3 minutos. 6. Una vez terminada la agitación, se dejo coagular por 30 minutos y se observaron las alturas de precipitación del material coagulado. Métodos Laboratorio B (fecha: 6 de octubre) 2
1. En este laboratorio, se realizo un diseño de experimento 2 para probar a que concentración de coagulante en estudio y a que pH se puede actuar frente a una determinada muestra de efluente. En un principio se hizo un tratamiento de separación de los sólidos de mayor tamaño con un colador. 2. Una vez colada la muestra, se agregaron 500 ml de muestra, medidos en una probeta, en 6 vasos precipitados de 500 ml. 3. Se midieron los pH de cada muestra y se ajustaron 3 vasos a pH 6 y 3 vasos a pH 4 con Acido Sulfúrico 0,1 M.
8
4. Una vez ajustados los pH, se pesaron en balanza analítica los gramos del coagulante FeCl3.6H2O para las distintas concentraciones; 30, 45 y 60 mg/L que se probaron. Para obtener muestras más representativas, el análisis se realizó por duplicado de cada muestra. 5. Se agitaron a 120 RPM por 1 minuto y seguidamente a 45 RPM por 3 minutos. 6. Una vez terminada la agitación, se dejo coagular por 30 minutos y se observaron las alturas de precipitación del material coagulado.
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Resultados Cálculo de la cantidad de coagulante Debido a que el coagulante estaba hidratado en ambos casos, se calculó la masa considerando los factores gravimétricos. Los cálculos para el sulfato de aluminio se muestran a continuación:
Al SO ! 342,15 g mol PM Al SO .18 H O ! 666, 43 g mol PM Al SO 342,15 g mol R ! ! ! 0,5134 PM Al SO .18 H O 666,43 g mol PM
2
4 3
2
4 3
2
2
4 3
1
2
4 3
2
De igual manera se calculó el factor gravimétrico del cloruro de hierro (III), como se muestra a continuación:
Fe Cl3 ! 162, 20 g mol PM Fe Cl 3.6 2 ! 270, 29 g mol PM Fe Cl 3 162, 20 g mol ! ! 0, 6 R2 ! F eCl 3 .6 2 270, 29 g mol PM
¢
£
¢
£
Considerando que se requerían 50 mg/l de FeCl3 y 100 mg/l de Al 2(SO4)3 se calcularon las masas de ambos coagulantes para agregar a 500 ml de muestra. Estos cálculos se pueden ver a continuación:
m Al2 S ¤
4 3
! 100
0,05 g
n Al2 S
4 3
!
n Al2 S
4 3
!
n Al2 S
4 3
.18
n Al2 S
4 3
¤
¤
¤
mg l 0,5l
342,15 g mol
R1 n Al2 S ¤
¥
2
¤
.18
!
¥
2
¤
¥
2
2
¤
4 3
2
4 3
2
¤
!
50mg
0, 05 g 4
! 1, 46133
.18
4 3
n Al2 S ¤
!
m Al S .18 m Al S O .18 H O
¤
!
¥
4 3
R1
2
10 mol
¤
4
!
1, 46133 10 mol 0,5134
4
2,8464 10 mol
!
n Al2 S
!
2,8464 10 mol 666, 43 g mol
¤
4 3
.18
¥
4
10
2O
PM Al S O .18 H O 2
4 3
! 0,1897
2
g
m F eCl3 ! 50 mg l 0,5l
n F eCl3 !
0,025 g 162, 20 g mol
!
!
25 mg ! 0, 025 g 4
1,5413 10 mol
n F eCl3 ! R2 n F eCl 3.6 H 2 O n F eCl 3.6 H 2O !
n F eCl 3 R2
4
!
1,5413 10 mol 0, 6
n F eCl 3.6 H 2O ! 2,5688 10 4 mol m F eCl 3 .6 H 2O ! n F eCl 3.6 H 2O
PM
F eCl 3.6 H 2O
m F eCl 3 .6 H 2O ! 2,5688 10 4 mol 270, 29 g mol ! 0, 06943 g A continuación se muestra la tabla que indica la cantidad de coagulante agregado a cada vaso de precipitado:
Tabla # : Cantidades de coagulante por vaso Vaso Coagulante pH Masa coagulante (g) 1 2
Al2(SO4)3.18H2O FeCl3.6H2O
7,11 5,86
0,1933 0,0710
Medición de los sólidos removidos por peso seco A continuación se muestra la tabla con los sólidos al inicio y al final del experimento. Los sólidos de las muestras 1 y 2 son medidos antes de la coagulación. Los sólidos de las muestras 3 y 4 son medidos después de la coagulación:
Muestra
Tabla # : Medición de sólidos por peso seco Masa de papel de Masa de papel con Masa sólidos (g) filtro seco (g) sólidos secos (g)
1 2 3 4
0,7488 0,7226 0,6934 0,7154
1,2456 1,2252 0,6938 0,7280
0,4968 0,5026 0,0024 0,0098
Coagulante Al 2(SO4)3.18H2O FeCl 3.6H2 O Al 2(SO4)3.18H2O FeCl 3.6H2 O
Con estos datos se calculó el porcentaje de remoción de los sólidos utilizando cada agente coagulante. Los cálculos se hicieron utilizando la siguiente ecuación:
remocion !
ma sa1 ma sa2 ma sa1
100
Donde la masa1 es la medida antes de la coagulación y la masa2 es la medida después de la coagulación. Como resultado se obtuvieron los siguientes porcentajes.
Tabla # Porcentajes de remoción de sólidos Coagulante Remoción (%) Al2(SO4)3.18H2O FeCl3.6H2O
99,52 98,05
11
De es ¦
§
mane a se pudo aprec ar que ambos coagulantes poseen un alto porcenta je de ¨
©
remoc n de s lidos sin embargo el mayor porcenta je de remoción se obtuvo con el Sulfato
©
de aluminio. Dis
ño d
xp i
ntos 22
Para el coagulante de cloruro de hierro (III) se realizó un dise o de e perimentos factorial
2
2 en el cual se consideraron como parámetros principales el pH y la concentración de coagulante. Se consideraron tres concentraciones de coagulante de 30 45 y 60 mg/l
respectivamente. También se fi jaron 4 y 6 como los valores de pH. Debido a que una de las caracterí sticas del residuo que se quiso eliminar fue el color, se decidió medir la absorbancia como variable de respuesta. Se realizó un barrido de espectro a la muestra para obtener la longitud de onda a la cual se mediría la absorbancia. Este barrido resultó en el siguiente gráfico:
En este gráfico se pudo apreciar que el mayor valor de absorbancia se encontró entre 400 y 500 nm. Por esta razón se decidió medir la absorbancia a 450 nm. La absorbancia de la muestra cruda sin tratamiento se consideró como el 100% de sólidos. Para determinar los porcenta jes de remoción se traba jó con las absorbancias de las muestras medidas después de la coagulación. Este porcenta je de remoción se determinó utilizando la siguiente ecuación: remocion
!
ABS 1
ABS 2
100
ABS 1
12
Donde ABS1 y ABS2 son los valores de las absorbancias antes y después de la coagulación respectivamente. Los resultados de este e perimento se muestran en la siguiente tabla:
Tabla
"
u st
sultados d l dis ño xp i ntal Con nt ación ( /L p Abso bancia
a
#
!
$
#
1 2 3 4 5 6 Crudo
!
%
&
30 45 60 30 45 60 -
4 4 4 6 6 6 -
0,038 0,028 0,018 2,506 2,383 2,417 2,510
!
oción (%
%
98,49 98,88 99,28 0,16 5,06 3,71 -
Este dise o e perimental se analizó en Statgraphics Plus para Windows versión 4.0. Se
'
consideraron solamente los valores de concentración de 30 y 60 mg/l ya que los valores de 45mg/l no pudieron ser puntos centrales del e perimento debido a que los resultados para
estas concentraciones no se analizaron a valores de pH medios entre 4 y 6. El diagrama de Pareto obtenido muestra la significancia de los parámetros medidos:
Pareto Chart f or R emocion B:pH
A:Concentracion
AB
0
20
40
60
80
1 00
Eff ect Figura 1: Diagrama de Pareto para el dise o de e perimentos realizado )
(
Como se puede apreciar en el Diagrama de Pareto se muestra claramente que el factor de mayor significancia en el análisis fue el pH. Con este resultado se obtuvo la siguiente ecuación para la remoción de color y sólidos en el residuo:
Remocion % = 50,41 - 24,24 pH
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Discusiones El trabajo de coagulación se realizó con dos residuos distintos. El primer residuo se trabajó con dos coagulantes diferentes, donde se comprobó que los porcentajes de remoción eran similares y muy altos. En este primer trabajo se pudo apreciar que los coagulantes funcionan mejor a las condiciones de pH que están dadas en el protocolo. Como se pretendió eliminar la mayoría de los sólidos suspendidos en el líquido, se midió la cantidad de sólidos totales y los sólidos suspendidos después del proceso de coagulación utilizando la gravimetría. En el caso del segundo laboratorio se trabajó con un residuo que contenía residuos lácteos entre otros componentes. Se pretendía eliminar el color y por esta razón se utilizó la absorbancia como parámetro de medición. Debido a que los productos lácteos contienen gran cantidad de proteínas, la mayoría de estas precipitaron al variar el valor del pH. La razón por la que existió coagulación a pH 4, fue que las proteínas el residuo, se encontraban en forma coloidal a un pH muy básico. Una vez que se añadió el ácido clorhídrico, la capa difusa que mantenía las proteínas en suspensión, fue neutralizada haciendo que las proteínas se aglomeraran y precipitaran por acción de la gravedad. El agente coagulante contribuyó a la precipitación, pero su significancia según el diseño de experimentos fue muy baja. Por esta razón se consideró que el pH ácido influyó mucho más en el proceso de coagulación.
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Conclusiones La muestra problema no presentaba una gran cantidad de sólidos sedimentables con relación a los sólidos suspendidos. Uno de los principales problemas en esta muestra fue homogeneizarla para poder trasvasijar la mayor parte de sólidos sedimentables desde el vaso pp. hasta el embudo imhoff y la probeta.
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Bibliografía y
Ing. Víctor Maldonado Yactayo Sedimentación p. 1-13
y
R. S. Ramalho Tratamiento de Aguas Residuales Faculty of Science and Engineering Laval University. Quebec Canada p. 93-95
y
Análisis y Diseño de tratamientos Primarios. Disponible en la web: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capit ulo5.pdf
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