PRUEBAS RSSCT CON MINI-COLUMNAS DE CARBÓN ACTIVADOPARA REMOVER MATERIA ORGÁNICA NATURAL (MON) PRESENTE

EN AGUAS NATURALES

Arturo Rivera Ortiz a, Rosa María Ramírez Zamora a, Alfonso Durán Moreno b

aInstituto de Ingeniería, UNAM, Apdo. Postal 70-472 Coyoacán, 04510 México, D.F.% (5) 622 33 20, Fax (5) 616 21 64, e-mail: rmrz@pumas.iingen.unam.mx

b Facultad de Química, UNAM Edif. E, Laboratorio 301Ciudad Universitaria, Coyoacán, México, D.F.

RESUMEN

Este trabajo evalúa la factibilidad del proceso de adsorción con carbón activado en granos (CAG)para tratar aguas superficiales clarificadas para consumo humano. El estudio se dividió en dospartes principales 1) pruebas en reactor discontinuo y 2) pruebas en reactor continuo o pruebasrápidas en minicolumnas a escala (sus siglas en inglés RSSCT Rapid Small Scale Column Test.Los resultados obtenidos en ambas pruebas permitieron definir los parámetros más adecuadospara la operación y diseño de columnas prototipo de adsorción, considerando como base el flujoy efluente de la planta potabilizadora Los Berros, Sistema Cutzamala. Las pruebas en reactordiscontinuo permitieron determinar el mejor tipo de carbón activado (LQ1000, CARBOCHEM,de tipo lignítico). El pH, en el intervalo de estudio (6.5-8.5), no presenta una influenciasignificativa sobre el proceso de adsorción. Los resultados de las pruebas RSSC mostraron que elmejor tipo de flujo es ascendente, con un tamaño de partícula tiempo de contacto de lecho vacíode 15 min (EBCT Empty Bed Contact Time), un tiempo de operación de 22 meses. Estos valoresde los parámetros de operación y diseño de una columna prototipo se sitúan dentro de loscriterios recomendados y datos reportados en plantas de tratamiento de agua potable.

INTRODUCCIÓN

La materia orgánica natural (MON) está constituida principalmente por sustancias húmicas (SH),que son estructuras de alto peso molecular. Estos compuestos se forman como resultado de la“elutriación” del suelo así como por reacciones microbiológicas, químicas y fotoquímicas queocurren en el agua debido a la presencia de algas y subproductos de origen vegetal y animal. Lasaguas naturales contienen entre 2 y 10 mg/L de carbono orgánico disuelto (Mallevialle, J., 1996).

Algunos de los problemas que ocasionan estas sustancias son bioacumulación, competitividadcon contaminantes clave (plaguicidas), efectos carcinogénicos y mutagénicos resultantes de sureacción con el cloro. Debido al riesgo a la salud que presentan los subproductos de cloración dela materia orgánica, es necesaria su eliminación en los trenes de tratamiento de agua potableproducida, a partir de fuentes de abastecimiento contaminadas con estos compuestos (Oxenford,1996).

La eliminación de estas sustancias no es fácil debido a que presentan característicasrecalcitrantes. Dentro de los procesos más eficientes para remover MON se encuentra el procesode adsorción con carbón activado en granos. Este proceso es ampliamente utilizado en plantas detratamiento de aguas residuales y naturales para reúso y potabilización respectivamente(Bernazeau et al., 1996; Ramírez Zamora., 1996).

Los datos necesarios para el diseño de columnas de adsorción a nivel industrial se obteníantradicionalmente a través de pruebas de adsorción en sistemas piloto, sin embargo debido a losgrandes volúmenes de agua utilizada, a los tiempos largos de experimentación y a los costosimportantes por los análisis involucrados en los experimentos, la tendencia actual es la aplicaciónde minicolumnas de adsorción para realizar estas pruebas. Las pruebas con minicolumnas ométodo RSSCT (Rapid Small Scale Column Test) además de permitir realizar los experimentosen un tiempo muy corto, con pequeños volúmenes de agua a tratar, presenta la gran ventaja depermitir escalar los resultados a nivel industrial (Crittenden et al., 1986). Este método permitedeterminar las principales características de operación y de diseño de columnas de adsorción(tipo, tamaño y dosis de carbón activado tipo de flujo, diámetro y altura de la columna, tiempo deoperación, carga hidráulica).

Con base a lo expuesto en esta introducción, este trabajo evalúa la factibilidad de aplicar elproceso de adsorción para eliminar MON mediante pruebas en minicolumnas o método RSSCT.

METODOLOGÍA

Agua a tratar

El agua a tratar fue el efluente del proceso de filtración sobre arena de la planta de la plantapotabilizadora “Los Berros”, sistema Cutzamala. Se seleccionó esta corriente debido a que elproceso de adsorción para eliminar MON se aplica después de la filtración sobre arena para aguassuperficiales como es este el caso ya que el influente de esta planta es un agua de presa.

Adsorbentes

La Tabla 1 presenta las características fisicoquímicas principales de los carbones activadosevaluados :

TABLA 1 Características del carbón activado evaluado (LQ 1000)

CARACTERÍSTICA LQ1000 CG700 MDNB CAGR-BFabricante CARBCHEM NOBRAC NOBRAC CLARIMEXOrigen Mineral Cáscara de coco Madera MineralActivación Física Física Química FísicaDensidad aparente (g/mL) 0.47 0.55 0.26 0.47Dureza 75 98 - 80Superficie específica (m

2/g) 1 100 800 1 000 1 050

Índice de iodo (mg/g) 1 000 700 900 900Volumen poroso (mL/g) 0.90 - - 0.80

Sistemas y técnicas experimentales

Las pruebas en reactor discontinuo se efectuaron en el sistema experimental que se ilustra en lafigura 1. Los reactores son de vidrio PYREX con capacidad de 1 litro. Estos sistemas cuentan conun dispositivo de agitación magnético y un sistema regulador de temperatura constante. Laspruebas se realizan a reactor cerrado para evitar evaporación de la fase líquida.

Figura 1. Dispositivo experimental utilizado para las experiencias en reactor discontinuo.

La técnica aplicada fue la conocida como “punto por punto (point-by-point)” para la obtención deisotermas de adsorción. En este método se adicionan 0.5 litros del agua a tratar, a un pHseleccionado, en siete reactores de 1 L de capacidad. Posteriormente, cada reactor se coloca sobreuna parrilla de agitación magnética y se le agrega una barra magnética. A continuación seadicionan, seis dosis crecientes de carbón activado (10-50 mg/L) a seis de los siete reactores,dejando el último como blanco de la prueba. Finalmente, la mezcla agua-carbón se pone enagitación a 100 rpm durante 24 horas para asegurar obtener el equilibrio de las fases. Al términode ese tiempo, se separan las fases por filtración con papel WHATMAN GF/A. La fase líquida esanalizada para determinar los valores residuales de pH, COD, absorbancia óptica D.O. a 254 nm.

La evaluación del proceso de adsorción en reactor discontinuo se realizó mediante pruebasRSSCT de laboratorio con minicolumnas de vidrio de 1.1 cm de diámetro y una altura de 50 cmcon tapas roscadas en ambos extremos. El diámetro se seleccionó con el fin de obtener unarelación (diámetro de la columna /diámetro de partícula ) (1.1cm/0.02 cm) superior a 50 (Martin,1978) que permitiera evitar los efectos de pared y la formación de canalizaciones.

Las figuras 2 y 3 ilustran el sistema experimental completo utilizado en estas pruebas. Estascolumnas se empacaron con 7.5 g del carbón activado LQ 1000, marca CARBOCHEM (minerallignítico), que se seleccionó con base en resultados obtenidos en reactor discontinuo. Laalimentación del influente se realizó mediante una bomba peristáltica con dos tipos de flujosdiferentes ascendentes y descendente. Los gastos utilizaron fueron de para simular tiempos decontacto de lecho vacío (EBCT Empty Bed Contact Time) de 15 y 22.5 minutos. En

consecuencia, los parámetros variables fueron el tiempo de contacto de lecho vacío 15 y 22.5 miny el tipo de alimentación que fue ascendente y descendente. A intervalos regulares de una hora setomaron muestras del influente y del efluente para determinar, posteriormente el contenido decarbono orgánico disuelto (COD) usando la técnica de oxidación con ultravioleta y persulfato depotasio y la absorbancia óptica a 254 nm.

Los parámetros fijos en las pruebas fueron el tamaño de partícula de carbón activado (malla60x80), el pH= 6.7 valor del efluente de la planta potabilizadora “Los Berros” y el flujo porunidad de área.

Figura 2. Sistema experimental utilizado en las pruebas RSSCT

Figura 3. Detalles de las mini-columnas utilizadas en el estudio

Técnicas analíticas

Las muestras de carbón orgánico disuelto (COD) fueron analizadas usando la técnica deoxidación con ultravioleta y persulfato de potasio. El análisis fue desarrollado usando unanalizador Dohrmann DC-180 TOC (Rosemount, Calif,) el DC-180 tiene un automuestreador queopera en modo directo de inyección.

Durante todo este proyecto, las muestras fueron colocadas en tubos de vidrio de 10 mL decapacidad. Después de colectar las muestras, son preservadas con dos gotas de ácido fosfóricoconcentrado y almacenada a 4 oC hasta ser analizadas. Todos los análisis fueron realizados tanpronto como fue posible para prevenir pérdidas debido a la volatilización durante el almacenaje.La concentración fue determinada de las curvas de calibración obtenidas a partir de la inyecciónde soluciones estándar.

TUBO DE TEFLON

BUJE DE TEFLON

CARBON

LANA DE

LANA DE

CUENTAS DE VIDRIO

RESULTADOS

Pruebas de adsorción con reactor discontinuo

Las figuras 4 a 6 representan los valores residuales de COD obtenidos en función de la dosisaplicada de carbón activado en las pruebas de reactor discontinuo con cuatro diferentesadsorbentes, para tres pH diferentes.

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70DOSIS DE C.A (mg/L)

CO

D (

mg/

L)

LQ1000

CAGR

MADERA

CG700

Figura 4. Carbono orgánico disuelto residual (mg/L)) en función de la dosis aplicada decuatro diferentes carbones activados (pH= 6.5)

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70DOSIS DE C.A (mg/L)

CO

D (

mg/

L)

LQ1000

CAGR

MADERA

CG700

Figura 5. Carbono orgánico disuelto residual (mg/L)) en función de la dosis aplicada decuatro diferentes carbones activados (pH= 7.5)

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70

DOSIS DE C.A (mg/L)

CO

D (

mg/

L)LQ1000

CAGR

MADERA

CG700

Figura 6. Carbono orgánico disuelto residual (mg/L)) en función de la dosis aplicada decuatro diferentes carbones activados (pH= 8.5)

En estas curvas se puede observar que son el LQ 1000 (carbón de referencia) y el CAGR loscarbones activados más eficientes para la remoción de COD. Estos carbones son los quepresentan las áreas específicas más elevadas de los cuatro adsorbentes evaluados. En el intervalode pH estudiado (6.5-8.5), este parámetro parece no influir de manera significativa el proceso deadsorción de COD (figuras 7 y 8).

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0 10 20 30 40 50 60 70

DOSIS DE C.A (mg/L)

CO

D (

mg/

L)

pH 6,5

pH 7,5

pH 8,5

Figura 7. Carbón orgánico disuelto residual (mg/L) en función de la dosis aplicada delcarbón activado LQ 1000 para diferentes pH

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0 10 20 30 40 50 60 70

DOSIS DE C.A (mg/L)

CO

D (m

g/L)

pH 6,5

pH 7,5

pH 8,5

Figura 8. Carbón orgánico disuelto residual (mg/L) en función de la dosis aplicada delcarbón activado CAGR para diferentes pH

Para los dos carbones más eficientes (CAGR mineral bituminoso y LQ 1000 mineral lignítico) sedeterminaron las isotermas de adsorción con base en los modelos lineales de Freundlich yLangmuir.

ln qe = ln KF + 1/n ln Ce Isoterma de Freundlich (KF, n = constantes)

Ce1

qmb1

qm1

qe1 += Isoterma de Langmuir

(qm= capacidad máxima de adsorción, b= constante)

La isotermas correspondientes se ilustran en la Figura 9.

y = 0,7736x + 3,1122R2 = 0,9

y = 0,9944x + 2,5881R2 = 0,852

3

3,2

3,4

3,6

3,8

4

4,2

0,6 0,8 1 1,2Ln Ce (mg COD/L)

Ln q

e (m

g C

OD

/g C

.A.)

CAGRB

LQ1000

y = 0,0416x + 0,0053

R2 = 0,8873

y = 0,0714x + 0,0047

R2 = 0,8405

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,3 0,4 0,5 0,61/Ce (L/mg COD)

1/qe

(mg

CO

D/g

C.A

.) CAGRB

LQ1000

Figura 9. Isotermas de adsorción de Freundlich y Langmuir para dos carbones activados.

Las constantes de cada modelo se ilustran en la Tabla 2 que se presenta a continuación :

TABLA 2. Constantes de las isotermas de Freundlich y Langmuir

FREUNDLICH LANGMUIRCARBON KF 1/n qm bCAGRBLQ 1000

22.4713.31

0.7740.994

188.67212.76

0.1270.066

En esta tabla se puede observar que las capacidades máximas de adsorción son comparables entreel carbón de referencia (LQ1000, mineral lignítico, de CARBOCHEM) y el carbón nacional(CAGR, mineral bituminoso, CLARIMEX). En un momento dado ambos carbones puedenaplicarse para el tratamiento del efluente de la planta potabilizadora “Los Berros”.

Pruebas de adsorción con reactor discontinuo : Pruebas en minicolumnas RSCC

Las representación de los valores residuales obtenidos de carbón orgánico disuelto y absorbanciaóptica a 254 nm en función del tiempo de operación de las minicolumnas operadas de modoascendente y descendente se muestran en las figuras 10 y 11. Estas figuras permiten observar quepara los dos EBCT evaluados y los dos tipos de alimentación (ascendente y descendente) seobtienen resultados comparables en términos de volumen de agua tratada/masa de carbónactivado, el valor se sitúa alrededor de 75,000 litros/Kg de carbón. El porciento de expansión dellecho fue de 50, para ambos EBCT.

Los resultados obtenidos permiten observar que las columnas operadas con flujo descendente soncomparables a las alimentadas con flujo ascendente.

EBCT 22 min, Flujo ascendente

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

0 25000 50000 75000 100000

litros filtrados/kg de C.A.

C/C

o

COD

D.O. 254 nm

EBCT 15 min, Flujo ascendente

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

0 25000 50000 75000 100000litros filtrados/kg de C.A.

C/C

o

COD

D.O. 254 nm

Figura 10. Carbón orgánico disuelto y absorbancia óptica a 254 nm en función del volumende agua tratada por masa de carbón activado LQ 1000 (mineral lignítico) para EBCT de 15y 22.5 min en flujo ascendente.

EBCT 22 min, Flujo descendente

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

0 25000 50000 75000 100000

litros filtrados/kg de C.A.

C/C

oCOD

D.O. 254 nm

EBCT 15 min, Flujo descendente

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

0 25000 50000 75000 100000litros filtrados/kg de C.A.

C/C

o

COD

D.O. 254nm

Figura 11. Carbón orgánico disuelto y absorbancia óptica a 254 nm en función del volumende agua tratada por masa de carbón activado LQ 1000 (mineral lignítico) para EBCT de 15y 22.5 min en flujo descendente.

CONCLUSIONES

Los experimentos realizados en régimen discontinuo y, en particular, continuo permitierondeterminar que los mejores valores de algunos parámetros de diseño y de operación de lascolumnas de adsorción fueron : tiempo de contacto de lecho vacío (EBCT) 15 minutos,expansión del lecho 50%, flujo del agua de tipo ascendente. Considerando un flujo de 1 m3/s, eltiempo de operación para la saturación del lecho de carbón de aproximadamente 12 meses, lo quedaría una dosificación de 10 mg/L. Estos valores de los parámetros de operación y diseño de unacolumna prototipo se sitúan dentro de los criterios recomendados y datos reportados en plantas detratamiento de agua potable.

REFERENCIAS

Bernazeau F., Charles P., Laine J. M., Mandra V. (1996) Pesticides removal on activated carbon :Competitive adsorption with natural organic matter, Proceedings of the Natural OrganicMatter Workshop : Influence of natural organic matter characteristics on drinking watertreatment and quality, 53-1 a 53-4.

Crittenden, J. C; Berrigan, J. K. Jr; Hand, D. W. (1986). Design of Rapid Small-Scale AdsorptionTests for a Constant Surface Diffusivity. Journal Water Pollution Control Federation, 58(4), pp, 312-319.

Mallevialle J. (1996). Why is natural organic matter problematic, Proceedings of the NaturalOrganic Matter Workshop : Influence of natural organic matter characteristics ondrinking water treatment and quality, I-1 a I-15.

Oxendorf J. L. (1996), Natural organic matter in drinking water : issues, ongoing research, andfuture challenges, Proceedings of the Natural Organic Matter Workshop : Influence ofnatural organic matter characteristics on drinking water treatment and quality, II-1 a II-4.

Ramírez Zamora R. M. (1992), Optimisation d´une filière de traitement d´une eau chargée enmatières organiques, fer et manganèse, Tesis de Maestría de Ingeniería Sanitaria, EcoleNationale de Santé Publique, Rennes Francia, 60 p.