Post on 13-Feb-2015
El Agua.
Tratamientos fisicoquímicos de las aguas
Tratamientos fisicoquímicos de las aguas
• Sedimentación: separación de partículas de mayor densidad que el agua.
• Tipos de sustancias que pueden sedimentar: – Partículas discretas (sedimentación tipo I)– Partículas floculentas (sedimentación tipo II)
• Sedimentación tipo I: las partículas sedimentan individualmente sin que se produzca agregación.
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• Fuerzas que intervienen en la sedimentación:– Gravedad (FM)= (s-l)·g
– Resistencia debida a viscosidad e inercia (FT) = C · l · v /2
– En condiciones de flujo laminar las partículas sedimentan siguiendo la ley de Stokes:
2180 )··( dV lsg
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H
L
l
V1
V0
V0H >
V1L=
QH·l·L
V0 > Q
Area= Vh
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• Sedimentación de tipo II: agregación de partículas en otras de mayor tamaño durante el proceso de sedimentación: variación de d y por tanto de V0.
• Eficiencia de sedimentación no sólo depende de carga superficial sino también de tiempo de retención hidráulico.
• Zonas de sedimentación: clarificación, zona de suspensión homogénea, zona de transición y zona de espesamiento
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• Curvas de velocidad de Kynch.• Influencia de la carga de sólidos
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• Tipos de decantadores:– Rectangulares– Circulares– Lamelares
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• Ventajas e inconvenientes:– Requerimientos de espacio muy elevados.– Consumos energéticos bajos y operación
sencilla frente a otros tratamientos.– Generación de fangos.
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• Flotación: aplicado a aquellas partículas de menor densidad que el agua. Tipos:– Natural (puede ser ayudada mediante
algún método externo).– Inducida: cuando la densidad inicial de las
partículas es mayor y es reducida artificialmente.
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• Flotación natural: empleada normalmente para la separación de aceites y grasa del agua.
• En el caso de grasas la flotación a veces se ayuda mediante la introducción de burbujas de aire
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• Flotación inducida: la técnica más usada es la producción de microburbujas mediante la presurización (DAF).– Disolución de aire a presiones de 3-6 bares. La
despresurización produce burbujas de 40-70 m que producen la flotación de Sólidos.
– Aplicaciones:• Separación y concentración de sólidos y fangos.• Separación de aceites de refinerías.• Separación de fibra de papel en papeleras.
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• Filtración: proceso de separación basado en el paso de una mezcla sólido- líquido a través de un medio poroso (filtro) que retiene el sólido y permite el paso del líquido (filtrado).
• Ecuación general
• Variación de R con el tiempo
V = 1
R∙ PH
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• Parámetros: velocidad de filtración (m/h). Pérdida de carga.
• Filtración: diferentes opciones:– Diferentes medios filtrantes:
• Arena, antracitas, carbon activo• Membranas plásticas o cerámicas.
– Diferentes fuerzas conductoras de la filtración:• Altura de columna de agua o presión.• Filtración tangencial: conceptos de permeado y retenido.• Succión.
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• Ventajas e inconvenientes de filtración:– Eliminación de la práctica totalidad de los
sólidos en suspensión.– Eliminación elevada de microorganismos
patógenos.– Variación del caudal a través de las
membranas (aumento de resistencia de las mismas): Operación discontinua.
– Requerimientos energéticos elevados.
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• Aplicaciones principales:– Tratamiento terciario para la reutilización
de aguas o tratamiento previo para la potabilización de aguas.
– Tratamiento de aguas poco cargadas.– Sustitución de decantación secundaria.
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• Ósmosis inversa:Empleo de membranas semipermeables que permiten el paso del agua y retienen el resto de solutos.
• Elementos: bomba de alta presión, membrana semipermeable.
• Factores a considerar:– Conversión (Y)(Qpermeado/Qalimentado).– Factor de concentración (CF) (Conc en retenido/Conc. en
alimentado). CF=1/(100-Y)– Si Y Energía pero CF y CP
Qalim/Conc alim
Qret/Conc retQperm/Conc Perm
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• Aplicación típica en desalación de aguas de mar.
• Nanofiltración: variación de la ósmosis inversa:– Paso de sales monovalentes de 30-60% y
bivalentes de 5-15%– Reducción de costes.– Aplicable a la eliminación de aguas
moderadamente salinas (STD <2 g/L).
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• Centrifugación: proceso que usa la acción de la fuerza centrífuga para promover la separación de los sólidos en una mezcla sólido líquido.
• Distinguimos dos fracciones fundamentales en la mezcla centrifugada:– El sedimento– El sobrenadante o centrifugado
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• Acción de fuerza centrífuga sobre partícula de peso unitario:
R
NRPM
Fc=0.011·N·R/g (s-l)
Donde:s;: es la densidad de la partícula y l la del líquido.
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• Campos de aplicación de la centrifugación:– Separación de sólidos de suspensiones de
elevadas concentraciones.– Separación de suspensiones oleosas con
bajos contenidos en SS
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• Adsorción: basada en la capacidad de determinadas sustancias en la retención de moléculas sobre su superficie de una manera más o menos reversible.
• La capacidad de adsorción depende de :– La superficie específica del material– La naturaleza del enlace entre sustancia
adsorbida y adsorbente.– Tiempo de contacto entre sustancia y adsorbente.
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• Principales adsorbentes:• Carbon activo capaz de adsorber moléculas
ligeramente polares y sustancias de elevados pesos moleculares.
• Otros adsorbentes inorgánicos: alúmina y otros oxidos metálicos con elevadas superficies específicas (300-400 m2 g-1)
• Adsorbentes orgánicos : resinas macromoleculares.
• Adsorbentes naturales: bentonitas, silices, etc-
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• Desorción: principio teórico: ley de Henry:
p= xH• Importancia de:
– Existencia de un gradiente de concentración importante entre la interfase gas / líquido.
– Existencia de una superficie de intercambio importante (normalmente promovida mediante agitación o turbulencia).
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• Coagulación- floculación: facilita la eliminación de sólidos en suspensión y partículas coloidales (menos de 1m).
• Partículas coloidales: estabilidad y no decantación (suma de atracción (Van der Waals) y repulsión electrostática. La función de la coagulación es desestabilizar este balance.
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• Floculación: una vez desestabilizadas las partículas se facilita su agregación en partículas mayores que puedan separarse por otro medio (sedimentación, flotación...)
COAGULACIÓN
FLOCULACIÓN
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• Reactivos: compensación de cargas negativas mediante la adición de cationes (a mayor valencia, mayor efectividad): sales inorgánicas de Al3+ y Fe3+.
• Floculantes polímeros inorgánicos u orgánicos
• Importancia del grado de mezcla y tiempo de contacto.(mezcla rápida+ mezcla lenta).
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• Precipitación química: mediante la adición de reactivos, que contaminantes solubles se transformen en formas insolubles o de menor solubilidad.
• Principales aplicaciones:• Ablandamiento de aguas: eliminación por
precipitación de sales de calcio y magnesio que tienden a producir precipitados en conducciones.
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• Ablandamiento: principios:– Adición de cal:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 2CaCO3 + 2H2O
Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 2MgCO3 + 2H2O– Adición de sosa:
NaOH + Ca(HCO3)2 CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O– Parámetros de control en el proceso:
• pH (necesidad de rectificación posterior)• Presencia de núcleos de agregación (sólidos en
suspensión).
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• Precipitación de sílice con hidróxidos de Al, Mg o Fe.
• Precipitación de metales pesados a través de la formación de sulfuros (difícilmente solubles): Na2S con hidróxidos que ayudan a la precipitación.
• Precipitación de sulfatos:
Ca2+ (como cal)+ SO4 2- CaSO4 ·2H2O• Precipitación de fosfatos con cal, Fe3+ o Al3+:
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Reactivo pH Necesidades Precipitado
Ca(OH)2 9-12 +floculante Hidroxiapatita
Fe 5 Exceso de hidróxido Fosfatos e hidróxido del metal
Al 6 Exceso de hidróxido Fosfatos e hidróxido del metal
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• Intercambio iónico:sustancias que tienen en su estructura molecular radicales ácidos o básicos que pueden intercambiar con iones del mismo signo del líquido en contacto sin una alteración física de su apariencia. Resinas de intercambio iónico (anionicas o catiónicas).
• Aplicaciones típicas:– Ablandamiento de aguas– Desilicación de aguas– Desmineralización de aguas– Tratamiento de aguas residuales con metales.
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• Necesidad de regeneración de las resinas
• Selección de resinas en base a anión/catión, y diferentes selectividades sobre los iones a eliminar.
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• Oxidación – Reducción: fundamentos: capacidad de que las sustancias cambien entre un estado oxidado y reducido mediante la ganancia (reducción) o pérdida (oxidación) de electrones.
• Esta posibilidad está determinada por el concepto de potencial de oxidación / reducción (potencial redox):
E = E 0 + Kn ∙
forma oxidadaforma reducida
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• Si definimos como potencial de referencia el del hidrógeno, comparando los de otras sustancias veremos la tendencia relativa a ser oxidados o reducidos (mayor potencial, mayor tendencia a reducirse, oxidando otra sustancia)
aOx1+bRed2 aRed1 + bOx2 (Eo1>Eo2)• Distinción agentes oxidantes y reductores.
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• Empleo de la oxidación reducción en tratamientos de aguas:– Desinfección– Conversión de un elemento de un estado
disuelto a un estado poco soluble.– Oxidación de compuestos orgánicos
refractarios (Procesos de oxidación avanzada).
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• Agentes oxidantes utilizados:– Cloro:
Cl2 +H2O HClO + HClHClO ClO- +H+
A pH= 5 todo el cloro está como HClO.A pH=10 todo el cloro está en forma de ClO-.El efecto desinfectante (oxidante) máximo se da con
la forma HClO (cloro libre disponible).– Reacciones secundarias con compuestos
orgánicos y amonio (THM y cloraminas).
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• Ozono: acción directa sobre moléculas o generación de radicales libres OH· que provocan rupturas de moléculas.
• El ozono puede combinarse con luz ultravioleta que cataliza la formación de radicales OH·.
• Dióxido de cloro: alta capacidad oxidante:
ClO2+ 5 e- Cl- + 2O2-
es sensible a la ruptura fotoquímica.
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• Peróxido de hidrógeno:generación de radicales OH·.
• Los costes son elevados por lo que su uso está limitado a la oxidación de compuestos refractarios.
• Puede combinarse con el ozono.
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• Desinfección: factores a tener en cuenta:– Tiempo de contacto con el desinfectante e
intensidad del desinfectante: el tiempo necesario para matar a un microorganismo es inversamente proporcional a la intensidad del desinfectante
– Edad de los microorganismos (mayor edad mayor resistencia)
– Naturaleza del líquido desinfectante: la presencia de determinados elementos que puedan interaccionar con el desinfectante, pueden alterar la efectividad del mismo.
– Temperatura.
mI
kt