Modulo4 PTA
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Procesos Químicos Unitarios Adición de productos químicos Desarrollo de reacciones químicas
INTRODUCCIÓN
Químicos
Neutralización Intercambio iónico Ablandamiento Precipitación Oxidación Desinfección
Físico - Químicos
Coagulación - Floculación
¿Qué es la neutralización? Control de la variación del pH mediante la aplicación
de sustancias químicas que controlan las reacciones acido - base
Neutralización
Cal; Soda Cáustica;
Dióxido de Carbono; Ácido Sulfúrico;
Alcalinizar Acidificar
¿Por qué es importante? Procesos rango de pH; Efluentesacidez/alcalinidad Normas de descarga;
Neutralización
Procesos de neutralización Mezclar efluentes ácidos y alcalinos en un ecualizador; Neutralizar ácidos en lechos de caliza (filtro);
Sistemas de Control Modo estático; Controladores automáticos;
¿Qué es? Reacciones químicas de sustitución entre un electrólito
en solución y otro en estado insoluble.
Aplicación Remoción de compuestos orgánicos
Eliminación de colorantes de la industria textil y del papel
Ablandamiento del agua
Intercambio iónico
¿En qué consiste? En la adición de productos químicos que cambian el
estado físico de los sólidos disueltos convirtiéndoles en insolubles y facilitando la remoción.
Aplicación Proceso más empleado para la remoción de metales; Magnesio, sílice, fluoruro, calcio (fracción); Fosfato disuelto
Precipitación
Alumbre Sales de hierro Algunos polímeros
Cal
Factores que influyen Naturaleza de las partículas en el agua residual; pH; Temperatura; Balance iónico;
Principales sustancias utilizadas sulfato de aluminio; aluminato de sodio; sulfato férrico; sulfato ferroso; óxido de calcio (cal);
Precipitación
hidróxido de calcio (cal hidratada);
carbonato de sodio
Precipitación
dosis óptima de precipitante; pH óptimo; sedimentabilidad de los precipitantes;
Prueba de jarras
Diversidad de constituyentes de
los residuos líquidos
Proceso de precipitación
¿Qué es? Coagulación
Coagulación-Floculación
Desestabilización de partículas suspendidas
Reducción o anulación de las fuerzas que las mantiene separada
Reactivos químicos
Mezcla rápida
Coagulantes; la superficie de las partículas; la alcalinidad del agua; el agua misma;
¿Qué es? Floculación
Coagulación-Floculación
Transporte de partículas
desestabilizadas
Realicen contacto «choquen»
Mezcla lenta
Flóculos de mayor tamaño y/o densidad
Sedimentación; Flotación; Filtración;
¿Para qué se realiza? Remoción de partículas de tamaño pequeño,
coloidales, que no sedimentan o lo hacen en forma muy lenta Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica; Remoción del color verdadero y aparente; Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos
susceptibles de ser separados por coagulación Destrucción de algas y plancton en general Eliminación de substancias productoras de sabor y olor Eliminación de substancias productoras de precipitados
químicos
Coagulación-Floculación
Coagulación-Floculación
Tratada con coagulante Río de agua turbia dispersión fina de
partículas diminutas.
Partículas Coloidales Carga superficial negativa Impide que las partículas se aproximen unas a otras
Coagulación-Floculación
hidrófobos o suspensores
hidrófilos o emulsores
Repelen el agua
Afinidad al agua
arcillas
Polímeros Sustancias biológicas
Sistemas coloidales
¿Qué reactivos se utilizan? Coagulantes Modificadores de pH Ayudantes de coagulación
Coagulantes Sulfato de aluminio Cloruro férrico Sulfato ferroso Sulfato férrico cloro-sulfato férrico.
Coagulación-Floculación
Sulfato de aluminio Sal derivada de una base débil (hidróxido de aluminio)
y de un ácido fuerte (ácido sulfúrico) soluciones ácidas
pH varía entre 2 y 3.8 Forma sólida o líquida Formula teórica Al2(SO4)3 .18 H2O. Concentración contenido en alúmina Al2O3
Coagulación-Floculación
Sulfato de aluminio Principales reacciones del sulfato de aluminio con la
alcalinidad
Coagulación-Floculación
Cloruro férrico Forma sólida o líquida Líquida tratamiento del agua Formula teórica Fe2Cl3 Altamente corrosivo (acero) Principales reacciones del cloruro férrico en el agua
Coagulación-Floculación
Modificadores de pH Óxido de calcio o cal viva: CaO Hidróxido de calcio: Ca (OH)2
Carbonato de sodio: Na2CO3
Hidróxido de sodio: NaOH Gas carbónico: CO2
Ácido sulfúrico: H2SO4
Ácido clorhídrico: HCl
Coagulación-Floculación
Ayudantes de coagulación polímeros aniónicos, catiónicos (de polaridad muy
variable) o neutros Formas sólida (polvo) o líquida. Origen natural o sintético Ensayos de coagulación y floculación elección. Sólidos poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada
y son no iónicos Líquidos soluciones catiónicas
Coagulación-Floculación
Esquema de formación de puentes entre partículas en presencia de polímeros orgánicos
Coagulación-Floculación
Coagulación Coagulante se mide en una muestra de agua turbia con un alto grado de mezcla
Después de la adición de coagulante, el crecimiento de partículas se debe a la neutralización de la carga.
Coagulación Después de floculación a una velocidad muy baja de agitación (típicamente de 10 a 15 rpm), la muestra es examinada después de un tiempo establecido.
El sobrenadante se examina y se prueba después de 5 a 10 minutos el tiempo de estabilización, y la naturaleza y volumen de los flóculos se registra.
Factores del proceso de coagulación-floculación
Coagulación-Floculación
Coagulación
Desestabilización de partículas
Modelo Físico
(Doble capa)
Modelo Químico
(Puente químico)
Floculación
Transporte de partículas
Ortocinético
(Gradiente de velocidad)
Pericinético
Por sedimentación
Movimiento Browniano
Coagulación
Partícula electronegativa
+ +
+ +
+ +
+ + +
+ +
+
+ +
+ +
+
- - -
- -
- - - -
- - - -
- - - - -
-
Coagulación – Modelo Físico – Doble capa
- Electroestáticas - Van der Waals
+
Fuerzas
Agitación térmica
Adhesión de iones
Capa compacta – Capa de Stern
Coagulación
Partícula electronegativa
+ +
+ +
+ +
+ + +
+ +
+
+ +
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+ +
- -
-
-
-
-
+
+
+
+
+ +
+
+
-
-
-
-
-
-
- - -
- -
- - - -
- - - -
- - - - -
-
Coagulación – Modelo Físico – Doble capa
Agitación térmica 2da capa iones
Capa Difusa
Doble Capa
-
+ Concentración de
iones menor
Plano de Corte
Coagulación
Modelo de Stern-Gouy
Partícula electronegativa
+
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+ + +
+ +
+ +
+ + +
+ + +
+
+ +
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+
+ - -
-
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-
-
-
-
-
-
-
-
- - -
- -
- - - -
- - - -
- - - - -
-
Coagulación – Modelo Físico – Doble capa
Coagulación
+ + - Potencial eléctrico (PE)
PE ↓ exponencialmente
PE ↓linealmente
PE ↓ desde la superficie
Sup
erfi
cie
Coagulación
Puente químico Carga Primaria
Grupos químicos presentes
Ionización
Iones metálicos
Coagulantes
Reacciones
Precipitación de los coloides
Floculación
Partículas desestabilizadas
Coagulación Pericinética Ortocinética
Movimiento Browniano
Agitación del fluido Gradientes de velocidad
¿Qué mecanismo predomina?
Tamaño de las partículas <1µ >1µ
Floculación
Floculación
J = Número de colisiones por unidad de tiempo; ni = partícula; R = distancia entre centros de partículas; D12 = coeficiente de difusión conjunto;
Von Smoluchowski (1918)
𝐼 = 4 ∙ 𝐷12 ∙ 𝑅 ∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2
Ausencia de fuerzas repulsivas N° de partículas choquen
Movimiento causal moléculas de gas Movimiento Browniano
Teoría de la floculación pericinética
Floculación
J = Número de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partícula; di = diámetro de la partícula; du/dz = gradiente medio del sistema
Von Smoluchowski (1918)
𝐽 =1
6∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2 ∙ 𝑑1 + 𝑑2
3𝑑𝑢
𝑑𝑧
Observaciones del proceso
Floculación Acelera
Agitación lenta
Teoría basada en el gradiente de velocidad
Floculación
H = Número de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partícula; di = diámetro de la partícula; G = gradiente de velocidad promedio;
Camp y Stein
𝐻 =1
6∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2 ∙ 𝑑1 + 𝑑2
3 ∙ 𝐺
Smoluchowski
Laminar Turbulento
Floculación
Otros modelos del proceso Argaman & Kaufman
Valor de G no era del todo representativo del proceso de colisión de partículas, de acuerdo a su escala de aplicación.
El proceso de floculación combina los efectos de aglomeración y de ruptura de flóculos.
𝑑𝑁
𝑑𝑡= 𝑓 𝑎𝑔𝑙𝑜𝑚𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑓 𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎
Floculación
N0 = concentración de partículas que entran a la cámara de floculación; N = concentración de partículas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculación KA = cte. de aglomeración; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s;
Para reactor de una sola cámara
𝑁0𝑁
=1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙ 𝑡
1 + 𝐾𝐵 ∙ 𝐺2 ∙ 𝑡
Floculación
N0 = concentración de partículas que entran a la cámara de floculación; Nm = concentración de partículas que sale da la última cámara de floculación; KA = cte. de aglomeración; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s; m = número de recámaras; t =tiempo total promedio de floculación
Bajo el supuesto que los coeficientes KA y KB se mantienen constantes en un tanque con «m» cámaras de floculación en serie. Determinaron la expresión:
𝑁0𝑁𝑚
=1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙
𝑡𝑚
𝑚
1 + 𝐾𝐵 ∙ 𝐺2 ∙
𝑡𝑚 1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙
𝑡𝑚
𝑗𝑚−1
𝑗=0
Floculación
Expresión equivalente
N0 = concentración de partículas que entran a la cámara de floculación; N = concentración de partículas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculación K = cte. De la reacción, 1/(mg/l); D = función de distribución adimensional; m = número de compartimentos del floculador;
𝑁0𝑁
= 1 + 𝐾 ∙ 𝐷 ∙ 𝐺 ∙ 𝑁0 ∙𝑡
𝑚
𝑚
Efecto del número de compartimentos
Floculación
Resultado más importante La compartimentalización de un sistema de flujo
continuo ejerce una influencia considerable en la eficiencia del floculador.
Se puede observar el porcentaje de remoción dependiendo del número de compartimentos en la figura que pasa de 58% a 85% (para relación GN0t = 1)
Floculación
Efecto del Gradiente en la ruptura de flóculos Bratby et al.
𝐾𝐵 = 𝑘1 ∙ 𝑙𝑛𝐺 + 𝑘2
KB es dependiente del gradiente de velocidad, donde k1 y k2 son constantes para una determinada agua.
Para valores bajos de G KB es bastante pequeño Condiciones de floculación normalmente empleadas en la práctica (G entre 70 y 15 s-1)
Simplificar la expresión general
Floculación
Expresión simplificada
𝑁0𝑁𝑚
= 1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙𝑡
𝑚
𝑚
𝑁0𝑁𝑚
=1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙
𝑡𝑚
𝑚
1 + 𝐾𝐵 ∙ 𝐺2 ∙
𝑡𝑚 1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙
𝑡𝑚
𝑗𝑚−1
𝑗=0
Floculación
Correlación de la cte. de aglomeración Muestras del agua del río Iguazú, en Curitiba, Brasil; Resultados de 300 ensayos de floculación; Modelo simplificado;
𝐾𝐴 = 0.192 ∙ 10−4 ∙ 𝑁00.8
Richter
Floculación
Aspectos prácticos «se sabe que siempre es más difícil flocular aguas de baja turbiedad»
Coeficiente de aglomeración
Varía con la turbiedad del agua cruda
↑ Turbiedad
↑Coeficiente de aglomeración
Agua cruda del río Iguazú (Curitiba, Brasil). Jar-tests Tiempo de floculación: 15 min Gradiente de velocidad: G = 30 s-1
Floculación
Relación tiempo de floculación y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman
↓G
Turbiedad residual ↓
G < 100 1/s
Turbiedad residual ↓ Tiempo de floculación ↑
Floculación
Relación tiempo de floculación y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman
Tiempos de floculación
Ǝ G óptimo
Floculación
Relación tiempo de floculación y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman
Condiciones de mezcla rápida Gradiente
Tiempo de mezcla
G tiempo de floculación
Mezcla rápida
Dosis coagulante
El valor de (G) óptimo ↓ al ↑ la dosis de sulfato
Valor óptimo de G versus periodo de floculación
Floculación
Relación tiempo de floculación y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Se determina del gráfico de valor óptimo de G versus
periodo de floculación la relación:
𝐺∗2.8 ∙ 𝐾 = 𝑡
𝐺∗𝑛 ∙ 𝐾 = 𝑡
Diversos proyectos realizados en Perú, Brasil entre otros con la colaboración de la CEPIS/OPS, permiten generalizar la expresión
Los valores de (n) y (K) varían en función de la calidad de cada agua
Floculación
Otros modelos del proceso Hudson
𝐻 =1
6∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2 ∙ 𝑑1 + 𝑑2
3 ∙ 𝐺
Parte de la expresión de Camp y Stein d2
d1
d2 >> d1
n1
n2
n1 floc en formación n2 floc formado
partículas que causan turbiedad <10µ forman el floc diámetros de 100 y
2000µ.
Robeck y Riddick
Floculación
Otros modelos del proceso Hudson
𝐻 =1
6∙ 𝑛2 ∙ 𝑑2
3 ∙ 𝐺 d2 >> d1
𝑉 =4
3∙ 𝜋 ∙ 𝑟2
3 𝑉 =1
6∙ 𝜋 ∙ 𝑑2
3
𝐻 =𝑉
𝜋∙ 𝑛2 ∙ 𝐺
Reemplazando
Floculación
Otros modelos del proceso Hudson
𝐻 =𝑑𝑁
𝑑𝑡
Supuesto Todas las colisiones resultan efectivas volumen de materia aglutinada por unidad de tiempo
No todas las colisiones resultan efectivas Se define razón de adherencia,
𝑑𝑁
𝑑𝑡=𝑉
𝜋∙ 𝛼 ∙ 𝑛2 ∙ 𝐺
Floculación
Nt = materia que no ha sido floculada (turbiedad remanente); N0 = materia inicial (turbiedad cruda); = razón de adherencia;
𝑁𝑡𝑁0
= 𝑒−𝐺𝜋∙𝛼∙𝑉∙𝑡
Otros modelos del proceso Hudson
Rapidez con que se aglutina el floc depende de: Volumen del floc y no del número o tamaño de las
partículas involucradas
¿Qué objetivo tiene? Garantizar la calidad del agua desde el punto de vista
microbiológico; Asegurar que sea inocua para la salud humana;
¿Qué es? La eliminación selectiva de organismos patógenos;
¿Qué métodos se utilizan (agentes)? Químico; Físico; Radiación;
Desinfección
Agentes químicos Cloro y sus compuestos Bromo Yodo Ozono Fenol y sus compuestos fenólicos Alcoholes Metales pesados y compuestos afines Colorantes Jabones Compuestos amoniacales Agua oxigenada Ácidos y álcalis diversos
Desinfección
Agentes físicos Luz Calor Tamices de malla gruesa Tamices de malla fina Desarenadores Filtración Sedimentación
Desinfección
Radiación Electromagnética Acústica De Partículas
Proceso selectivo
Desinfección
no destruye todos los organismos presentes en el agua
no siempre elimina todos los organismos patógenos
Coagulación; Sedimentación; Filtración;
Procesos previos
La desinfección es el último proceso unitario de tratamiento del agua
Desinfección sea efectiva
Desinfección
Libres de partículas coloidales
Turbiedad Color
Acción del agente desinfectante
Máxima Eficiencia
Turbiedad 1
Coagulación; Sedimentación; Filtración;
H2O
efectivos y eficientes
Algunos conceptos referidos a la destrucción de patógenos del agua Agente esterilizante Es aquel capaz de destruir completamente todos los
organismos (patógenos o no);
Desinfectante Es el agente que inactiva los gérmenes patógenos;
Bactericida Agente capaz de inactivar las bacterias;
Cisticida Agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes;
Desinfección
Factores que influyen en la acción de los desinfectantes Tiempo de contacto; Tipo y concentración del agente químico; Intensidad y naturaleza del agente físico; Temperatura; pH; Número y tipo de organismos; Naturaleza del medio líquido;
Desinfección
Tiempo de contacto
¿Cómo afecta este factor en la desinfección?
Desinfección
C0
desinfectante
↑ mortalidad
↑ tiempo de contacto
Observaciones realizadas por Chick
Ley de Chick
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfección
𝑁𝑡𝑁0
= 𝑒−𝑘∙𝑡
Nt = número de organismos en el instante t; N0 = número de organismos en el instante inicial; k = constante, 1/t;
Número de microorganismos destruidos por unidad de tiempo es proporcional al número de microorganismos remanentes.
𝑡 =2.303
𝑘∙ 𝑙𝑜𝑔
𝑁0𝑁𝑡
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfección
Desinfección de las esporas de anthrax con 5% de fenol (Chick, 1908)
Susceptibilidad uniforme de las especies;
Concentración constante; Ausencia de compuestos; Parámetros definidos
Supuestos ideales
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfección
Desviaciones Velocidad
Destrucción ↑↓
↑ V
elo
cid
ad
↓ V
elo
cid
ad
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfección
𝑙𝑛𝑁𝑡𝑁0
= −𝑘𝑡𝑚 m = constante;
m > 1 aumento de la velocidad con el tiempo; m < 1 disminución de la velocidad con el tiempo;
Tipo y concentración de desinfectante
Desinfección
C0
desinfectante
Agente químico Efectividad desinfección
𝐶𝑛𝑡𝑝 = constante
C = concentración desinfectante n = constante; tp = tiempo % mortalidad cte.
Tipo y concentración de desinfectante
Desinfección
Oxidantes fuertes
↑ Eliminación de microorganismos Remantes tóxicos
Halógenos (cloro, bromo y yodo). Ozono (O3). Permanganato de potasio (KMnO4). Agua oxigenada (H2O2) y los iones
metálicos.
Intensidad y naturaleza del agente físico
Desinfección
Calor Luz
Sensibilidad microorganismos a temperaturas altas
Rayos ultravioleta
Inactivan los ácidos nucleicos (ADN y ARN). No reacciona con los constituyentes del
agua Proceso sencillo. Proceso no necesita tanques de mezcla o
de contacto.
La penetración de los rayos en el agua limitada.
Perdida de eficiencia Efecto puntual.
Ventajas Desventajas
Desinfección
mWs/cm² (mJ/cm²)
Coliform bacteria, legionella, faecal bacteria, streptococci, nematodes (eelworms) and yeasts etc.
3 - 40
Pathogenic fungi, such as fusarium, pithium,Phytophtora, etc.
30 - 120
Viruses such as cucumber virus, olpidium, cholera, etc.
60 - 250
Temperatura de la desinfección
Desinfección
𝑙𝑛𝑡1𝑡2=𝐸 𝑇2 − 𝑇1𝑅𝑇1𝑇2
R = cte. de los gases E = energía de activación, J/mol; t1; t2 = tiempo % mortalidad a temperaturas T1 y T2, °K
Van’t Hoff-Arrhenius
velocidad de desinfección
velocidad de difusión del desinfectante a través de la pared celular
velocidad de reacción con una enzima
Temperatura de la desinfección - pH
Desinfección
Energía de activación para compuestos de cloro, en la destrucción de Esch. Coli en agua limpia
Compuesto pH E, cal/mol
Cloro acuoso 7.0 8,200
8.5 6,400
9.8 12,000
10.7 15,000
Cloraminas 7.0 12,000
8.5 14,000
9.5 20,000
Fuente: Metcalf&Eddy
La acción de los desinfectantes
pH del agua
↑ dosis de desinfectante T° y tc
rango de pH de mayor efectividad
+ alcalina es el agua
Número y tipo de microorganismos
Desinfección
¿El número de microorganismos afecta el proceso de desinfección? No. Para eliminar “1” o “1000” se requiere la misma C0 y tc
T° y pH del agua sean los mismos
𝐶𝑞𝑁𝑝 = constante
C = concentración desinfectante q = constante relacionada con desinfectante; Np = concentración de organismos reducidos en % y tiempo determinado
Relación empírica
Número y tipo de microorganismos
Desinfección
¿El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia en el proceso de desinfección? Sí.
Resistencia de la membrana Penetración; Afinidad química;
Menos resistentes Coliforme; Salmonelas;
Altamente resistentes Esporas bacterianas;
Variables controlables en el proceso: La naturaleza y concentración del desinfectante; El grado de agitación al que se somete al agua; El tiempo de contacto entre los microorganismos y el
desinfectante;
Desinfección
¿Qué es el Cloro? Gas de color verde amarillento y olor sofocante; En la naturaleza se encuentra en forma de cloruros;
Desinfección con Cloro
Compuestos de cloro
Cl2
ClO2
Ca(OCl)2
NaOCl Plantas de tratamiento pequeñas (prefabricadas) Piscinas Pozos
Características del Cloro como desinfectante Destruye organismos patógenos del H2O; De fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo; La determinación de C0 en el agua es sencilla y de bajo
costo; Dosis no constituye riesgo para el hombre ni para
los animales; Efecto residual protección posterior contaminación;
Desinfección con Cloro
Química del Cloro en el agua
Desinfección con Cloro
𝐶𝑙2 +𝐻2𝑂 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻+ + 𝐶𝑙−
𝐻𝑂𝐶𝑙 𝐻+ + 𝑂𝐶𝑙−
Cloro libre disponible 𝐻𝑂𝐶𝑙; 𝑂𝐶𝑙−
Otras reacciones Cloraminas
Desinfección con Cloro
𝑁𝐻3 +𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑁𝐻2𝐶𝑙 + 𝐻2𝑂
𝑁𝐻2𝐶𝑙 + 𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑁𝐻𝐶𝑙2 +𝐻2𝑂
𝑁𝐻𝐶𝑙2 +𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑁𝐶𝑙3 +𝐻2𝑂
monocloramina
dicloramina
Tricloruro de nitrógeno