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DETERMINACION DEL TIEMPO DE RUPTURA PARA LA

REMOCION DE IONES CROMO TRIVALENTE EMPLEANDO SiO2MODIFICADO EN COLUMNAS DE LECHO FIJO

J. De Fuentes*, R. Castillo, P. Baricelli, E. Lujano, C. Bolivar

Judith S. De Fuentes. Ingeniero Qumico, Universidad Central de Venezuela. Postgrado en CienciasAmbientales en Estados Unidos e Inglaterra. Profesora titular; Directora de la Escuela deIngeniera Qumica, Facultad de Ingeniera, Universidad de Carabobo. Direccin: Av. Universidad,Brbula, Edo. Carabobo. Telf y fax :00 58 241 8674828. E-mail:jfuentes@uc.edu.ve.

Rafael Castillo. Ingeniero Qumico, Universidad de Carabobo, Venezuela. Desarroll el programaSIMADIN como parte de su tesis de grado.

Pablo Baricelli. Doctor en Qumica Inorgnica de Coordinacin, Reading University, Inglaterra.Profesor titular de la Universidad de Carabobo, Venezuela. Director del Centro de Investigaciones

Qumicas, Facultad de Ingeniera de la Universidad Carabobo. Area de investigacin en Desarrollode catalizadores y adsorbentes para la proteccin del ambiente.

Eduardo Lujano. Doctor en Qumica egresado de la Universidad Central de Venezuela. Profesorasociado de la Universidad de Carabobo, Venezuela. Investigador del Centro de InvestigacionesQumicas, Facultad de Ingeniera de la Universidad Carabobo. Area de investigacin en Desarrollode catalizadores y adsorbentes para la proteccin del ambiente.

Carmelo Bolivar. Doctor en Qumica, Francia. Profesor titular de la Universidad de Central deVenezuela. Coordinador Nacional de la Red Cyted del Programa de adsorbentes para la proteccindel ambiente.

Rengln: Tratamiento y reuso de Aguas Residuales Municipales e IndustrialesNmero de registro: II-Fuentes-Venezuela-1Modalidad de presentacin: Poster

Palabras Claves: Adsorcin, Columnas de lecho fijo, remocin de cromo

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XXIX CONGRESO DE LA ASOCIACION INTERAMERICANA DE INGENIERIASANITARIA Y AMBIENTAL (AIDIS)

DETERMINACION DEL TIEMPO DE RUPTURA PARA LAREMOCION DE IONES CROMO TRIVALENTE EMPLEANDO SiO2

MODIFICADO EN COLUMNAS DE LECHO FIJO

INTRODUCCIN

El proceso de adsorcin es ampliamente utilizado en sistemas de tratamientos de efluentesindustriales para remover cromo trivalente y otros metales pesados que se encuentran enconcentraciones por encima de los lmites mximos permitidos en las aguas residuales de origenindustrial.

Entre los aspectos positivos de la adsorcin como mtodo de tratamiento de efluentes industrialescabe sealar su capacidad para trabajar eficazmente en un rango de concentraciones, su flexibilidad

frente a variaciones de caudal y concentracin, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidadde automatizacin, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustanciasretenidas cuando ello resulte de inters econmico.

La adsorcin puede llevarse a cabo a nivel industrial mediante dos procesos bsicos: sistema decontacto en tanques agitados y contacto en columnas. Dentro de las columnas, existen sistemas delecho fijo con flujo descendente y sistemas de flujo ascendente en lecho compacto (Cotoruelo yMarques, 1988). La eleccin del tipo de sistema depende de factores de tipo tcnico y econmico,siendo de gran importancia el conocimiento del tiempo de ruptura del lecho a los fines dedeterminar los ciclos de operacin de las columnas.

Con base a lo anterior, en este trabajo se plantea como objetivo el desarrollo de un modelo

matemtico para la de remocin de iones cromo trivalente en columnas de lecho fijo con elpropsito de elaborar un programa de computacin que permita predecir los tiempos de ruptura, demanera de contribuir con una herramienta til para la toma de decisiones a nivel industrial.

METODOLOGIA

El presente trabajo consta de cuatro fases investigativas interconectadas entre si con la finalidad dealcanzar el objetivo propuesto. En primer lugar se realiz una investigacin bibliogrfica ydocumental sobre el tema de adsorcin en columnas. Seguidamente, se revisaron y analizaron lostrabajos experimentales previos utilizando SiO2como adsorbente de Cr

3+en soluciones acuosas afin de obtener las curvas de equilibrio y los datos requeridos para la modelacin matemtica del

proceso.

Para la fase de modelacin se utiliz la estrategia propuesta por Beltrn y colaboradores (1988) yse seleccion el modelo terico, basado en la adsorcin isotrmica (Maddox, 1987), el cualrequiere del planteamiento de los balances de masa diferenciales considerando un mezcladoperfecto entre la fase fluida y el slido pero despreciando el mezclado longitudinal.

La fase final fue consisti en la elaboracin del programa SIMADIN bajo el protocolo deprogramacin del lenguaje Visual Basic 6.0. SIMADIN-1.0.exe es el programa ejecutable, el cual

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Coeficiente cintico de transferencia de masa en la fase fluida

( )

= 5,0

5.1

.

/..62,2

p

f

pfd

SFDak (4)

Donde:

F: Caudal del fluido, [cm3/ min]dp: Dimetro de partcula, [cm]S: Area transversal de la columna, [cm2]

Coeficiente de difusin de la solucin inica

( )5

2 106.11

11

.. xnnF

TRD

oo

a

f

+

+

=

+

+

(5)

Donde:

R: Constante de los gases ideales, [8,315 J/ mol. K]Fa: Constante de Faraday, [96.488 coul/ mol]T: Temperatura absoluta, [K]n+: Valor absoluto de la carga del catinn- : Valor absoluto de la carga del anin

+0: Conductividad inica lmite del catin a dilucin infinita [m2 / . mol.]-

0: Conductividad inica lmite del anin a dilucin infinita [m2 / . mol.]6*105: factor de conversin de m2/ s a cm2/ mn.

El programa realiza la secuencia de clculo que se observa en la figura 1 (Castillo y colaboradores).Los resultados se almacenan en un archivo y pueden ser obtenidos en forma grfica o tabular. Lahoja de resultados incluye el coeficiente de difusin del adsorbato en la fase fluida, el coeficientecintico de transferencia de masa externo y la variacin de concentracin del efluente en funcindel tiempo.

Para la validacin del programa se utilizaron los datos experimentales obtenidos previamente en la

unidad de remocin de cromo del CIQ (Caldern y colaboradores, 2000). En la tabla N 1 sepresenta una comparacin entre los valores calculados por el programa y los experimentales,observndose porcentajes de desviacin aceptables.

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Figura 1. Secuencia de clculo del programa SIMADIN

Tabla N 1. Comparacin entre los tiempos de ruptura tericos yexperimentales a diferentes condiciones de operacin

Referencia Concentracin(mg Cr

+3/l)

Tiempode

rupturaexperimental

(min)

Tiempo deruptura terico

(min)

1563 75 72Superlano y Caldern (2000)

575 200 157

Ochoa y Esteves (1996) 1132 80 72

Clculo del rea de la columna, flujo msico por unidad de rea , coeficientes de difusin y de

transferencia de masa, incrementos de y , Dimensiones de las matrices.

Lectura de los datos de entrada: Dimetro de columna, Z, a, dp , , T, , flujo msico, F, +0,-0, n+, n-, C0, q0

Inicio

Desde 1 hasta ColumnasMat- 1

Clculo de la concentracin de soluto en el slidoClculo de la concentracin de soluto en el efluente

Clculo de la concentracin de soluto en equilibrio con el slidoClculo del tiempo de operacin de la torre de adsorcin

Presentacin de los resultados bien sea impresos o porpantalla

Desde 1 hasta Filas - 1

Fin de la secuencia decalculo

SINO

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Las curvas de ruptura tanto terica como experimental mostraron un comportamiento similar conbuena aproximacin hasta alcanzar el punto de ruptura. A partir de este punto se observan mayores

desviaciones debido probablemente a los efectos difusionales en el slido, los cuales no fueronconsiderados en el modelo (ver figurar 2 y 3). Otra posible fuente de error se atribuye a ladeterminacin de los coeficientes de difusin de las soluciones de sulfato bsico de cromo ya que enel clculo del mismo se tom en cuenta nicamente el Cr+3y SO4

-2, desprecindose el efecto de losiones OH-

Posteriormente se realizaron varias corridas para comprobar que el programa respondieraadecuadamente a cambios en el flujo, la concentracin y la altura de la torre

Figura 2. Resultados obtenidos con el programa SIMADIN y en forma experimental aconcentracin inicial = 1563 mgCr/L, caudal = 30mL/ min

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,60,7

0,8

0,9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Tiempo de operacin (mn)

C/Co(adimension

al)

C/ Co (Experimental C/ Co (Calculado)

00,10,2

0,30,40,50,60,70,80,9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tiempo de operacin (min)

C/Co(adimensional)

C/Co (experimental) C/Co (calculado)

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Figura 3. Resultados obtenidos con el programa SIMADIN y en forma experimental aconcentracin inicial = 1132 mgCr/L, caudal = 83 mL/ min

CONCLUSIONES

El modelo matemtico de adsorcin isotrmica es adecuado para describir el proceso de remocinde iones cromo III en columna de lecho fijo. El programa SIMADIN es capaz de ejecutar elalgoritmo de clculo requerido en un corto tiempo y adems presenta una interfaz grfica quepermite una interaccin sencilla entre el usuario y el programa. El programa diseado calcula conbuena aproximacin el tiempo de ruptura de una columna de lecho fijo lo cual permite conocer conanterioridad el ciclo de operacin de la columna. Adicionalmente, los resultados muestran que elprograma responde en forma adecuada a los cambios en las variables de entrada, sin embargo no setienen los datos experimentales con alturas superiores a 70 cm, para comprobar que el programaestima la curva de ruptura en forma aproximada para alturas mayores a la mencionada

REFERENCIAS

Beltrn V. R., Lpez M. S. (1988). Modelacin matemtica para ingenieros qumicos. Primeraedicin. Editorial Pueblo y Educacin. Cuba.Caldern, C, Superlano F.. Fuentes J., Lujano E. Construccin de una unidad piloto para larecuperacin de cromo (III) presente en aguas residuales. Memorias del III Congreso deInvestigacin, Universidad de Carabobo, Valencia., Venezuela, 2000.Castillo R., Fuentes J. Modelacin del proceso de adsorcin de cromo trivalente en columnas delecho fijo. LI Convencin Nacional ASOVAC, San Cristbal, Venezuela, 2001.Cotoruelo L., Marques M. (1998). Tratamiento de aguas por adsorcin. Ingeniera Qumica, no. 30.Maddox R., Hines A. (1987). Transferencia de Masa, fundamentos y aplicaciones. Primera Edicin.Prentice-Hall Hispanoamericana.