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Procesos Quimicos Unitarios
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MDULO 4 Ingeniera Civil - Departamento de Obras Civiles
Marcelo Bravo Fortune
MDULO 4
PROCESOS UNITARIOS
Procesos Qumicos Unitarios Adicin de productos qumicos Desarrollo de reacciones qumicas
INTRODUCCIN
Qumicos
Neutralizacin Intercambio inico Ablandamiento Precipitacin Oxidacin Desinfeccin
Fsico - Qumicos
Coagulacin - Floculacin
Qu es la neutralizacin? Control de la variacin del pH mediante la aplicacin
de sustancias qumicas que controlan las reacciones acido - base
Neutralizacin
Cal; Soda Custica;
Dixido de Carbono; cido Sulfrico;
Alcalinizar Acidificar
Por qu es importante? Procesos rango de pH; Efluentesacidez/alcalinidad Normas de descarga;
Neutralizacin
Procesos de neutralizacin Mezclar efluentes cidos y alcalinos en un ecualizador; Neutralizar cidos en lechos de caliza (filtro);
Sistemas de Control Modo esttico; Controladores automticos;
Qu es? Reacciones qumicas de sustitucin entre un electrlito
en solucin y otro en estado insoluble.
Aplicacin Remocin de compuestos orgnicos
Eliminacin de colorantes de la industria textil y del papel
Ablandamiento del agua
Intercambio inico
En qu consiste? En la adicin de productos qumicos que cambian el
estado fsico de los slidos disueltos convirtindoles en insolubles y facilitando la remocin.
Aplicacin Proceso ms empleado para la remocin de metales; Magnesio, slice, fluoruro, calcio (fraccin); Fosfato disuelto
Precipitacin
Alumbre Sales de hierro Algunos polmeros
Cal
Eliminacin de metales mediante precipitacin
Precipitacin
Factores que influyen Naturaleza de las partculas en el agua residual; pH; Temperatura; Balance inico;
Principales sustancias utilizadas sulfato de aluminio; aluminato de sodio; sulfato frrico; sulfato ferroso; xido de calcio (cal);
Precipitacin
hidrxido de calcio (cal hidratada);
carbonato de sodio
Precipitacin
dosis ptima de precipitante; pH ptimo; sedimentabilidad de los precipitantes;
Prueba de jarras
Diversidad de constituyentes de
los residuos lquidos
Proceso de precipitacin
Prueba de Jarras
Precipitacin
Diferentes sustancias qumicas
Misma sustancia/Diferentes dosis
Qu es? Coagulacin
Coagulacin-Floculacin
Desestabilizacin de partculas suspendidas
Reduccin o anulacin de las fuerzas que las mantiene separada
Reactivos qumicos
Mezcla rpida
Coagulantes; la superficie de las partculas; la alcalinidad del agua; el agua misma;
Qu es? Floculacin
Coagulacin-Floculacin
Transporte de partculas
desestabilizadas
Realicen contacto choquen
Mezcla lenta
Flculos de mayor tamao y/o densidad
Sedimentacin; Flotacin; Filtracin;
Para qu se realiza? Remocin de partculas de tamao pequeo,
coloidales, que no sedimentan o lo hacen en forma muy lenta Remocin de turbiedad orgnica o inorgnica; Remocin del color verdadero y aparente; Eliminacin de bacterias, virus y organismos patgenos
susceptibles de ser separados por coagulacin Destruccin de algas y plancton en general Eliminacin de substancias productoras de sabor y olor Eliminacin de substancias productoras de precipitados
qumicos
Coagulacin-Floculacin
La sedimentacin de partculas pequeas
Coagulacin-Floculacin
Coagulacin-Floculacin
Tratada con coagulante Ro de agua turbia dispersin fina de
partculas diminutas.
Partculas Coloidales Carga superficial negativa Impide que las partculas se aproximen unas a otras
Coagulacin-Floculacin
hidrfobos o suspensores
hidrfilos o emulsores
Repelen el agua
Afinidad al agua
arcillas
Polmeros Sustancias biolgicas
Sistemas coloidales
Qu reactivos se utilizan? Coagulantes Modificadores de pH Ayudantes de coagulacin
Coagulantes Sulfato de aluminio Cloruro frrico Sulfato ferroso Sulfato frrico cloro-sulfato frrico.
Coagulacin-Floculacin
Coagulacin-Floculacin
Sulfato de aluminio Sal derivada de una base dbil (hidrxido de aluminio)
y de un cido fuerte (cido sulfrico) soluciones cidas
pH vara entre 2 y 3.8 Forma slida o lquida Formula terica Al2(SO4)3 .18 H2O. Concentracin contenido en almina Al2O3
Coagulacin-Floculacin
Sulfato de aluminio Principales reacciones del sulfato de aluminio con la
alcalinidad
Coagulacin-Floculacin
Cloruro frrico Forma slida o lquida Lquida tratamiento del agua Formula terica Fe2Cl3 Altamente corrosivo (acero) Principales reacciones del cloruro frrico en el agua
Coagulacin-Floculacin
Modificadores de pH xido de calcio o cal viva: CaO Hidrxido de calcio: Ca (OH)2 Carbonato de sodio: Na2CO3 Hidrxido de sodio: NaOH Gas carbnico: CO2 cido sulfrico: H2SO4 cido clorhdrico: HCl
Coagulacin-Floculacin
Ayudantes de coagulacin polmeros aninicos, catinicos (de polaridad muy
variable) o neutros Formas slida (polvo) o lquida. Origen natural o sinttico Ensayos de coagulacin y floculacin eleccin. Slidos poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada
y son no inicos Lquidos soluciones catinicas
Coagulacin-Floculacin
Esquema de formacin de puentes entre partculas en presencia de polmeros orgnicos
Coagulacin-Floculacin
Coagulacin Coagulante se mide en una muestra de agua turbia con un alto grado de mezcla
Despus de la adicin de coagulante, el crecimiento de partculas se debe a la neutralizacin de la carga.
Coagulacin Despus de floculacin a una velocidad muy baja de agitacin (tpicamente de 10 a 15 rpm), la muestra es examinada despus de un tiempo establecido.
El sobrenadante se examina y se prueba despus de 5 a 10 minutos el tiempo de estabilizacin, y la naturaleza y volumen de los flculos se registra.
Coagulacin-Floculacin
Coagulacin
Prueba tpica de jarra de dosis perfil.
Factores del proceso de coagulacin-floculacin
Coagulacin-Floculacin
Coagulacin
Desestabilizacin de partculas
Modelo Fsico
(Doble capa)
Modelo Qumico
(Puente qumico)
Floculacin
Transporte de partculas
Ortocintico
(Gradiente de velocidad)
Pericintico
Por sedimentacin
Movimiento Browniano
Coagulacin
Partcula electronegativa
+ +
+ +
+ +
+ + +
+ +
+
+ +
+ +
+
- - -
- -
- - - -
- - - -
- - - - -
-
Coagulacin Modelo Fsico Doble capa
- Electroestticas - Van der Waals
+
Fuerzas
Agitacin trmica
Adhesin de iones
Capa compacta Capa de Stern
Coagulacin
Partcula electronegativa
+ +
+ +
+ +
+ + +
+ +
+
+ +
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+ +
- -
-
-
-
-
+
+
+
+
+ +
+
+
-
-
-
-
-
-
- - -
- -
- - - -
- - - -
- - - - -
-
Coagulacin Modelo Fsico Doble capa
Agitacin trmica 2da capa iones
Capa Difusa
Doble Capa
-
+ Concentracin de
iones menor
Plano de Corte
Coagulacin
Modelo de Stern-Gouy
Partcula electronegativa
+
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+ + +
+ +
+ +
+ + +
+ + +
+
+ +
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+
+ - -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- - -
- -
- - - -
- - - -
- - - - -
-
Coagulacin Modelo Fsico Doble capa
Coagulacin
+ + - Potencial elctrico (PE)
PE exponencialmente
PE linealmente
PE desde la superficie
Sup
erfi
cie
Coagulacin
+ + -
Coagulacin
Presencia de iones
Concentracin
Coagulacin
Puente qumico Carga Primaria
Grupos qumicos presentes
Ionizacin
Iones metlicos
Coagulantes
Reacciones
Precipitacin de los coloides
Coagulacin
Coagulacin
Coagulacin
Floculacin
Partculas desestabilizadas
Coagulacin Pericintica Ortocintica
Movimiento Browniano
Agitacin del fluido Gradientes de velocidad
Qu mecanismo predomina?
Tamao de las partculas 1
Floculacin
Floculacin
J = Nmero de colisiones por unidad de tiempo; ni = partcula; R = distancia entre centros de partculas; D12 = coeficiente de difusin conjunto;
Von Smoluchowski (1918)
= 4 12 1 2
Ausencia de fuerzas repulsivas N de partculas choquen
Movimiento causal molculas de gas Movimiento Browniano
Teora de la floculacin pericintica
Floculacin
J = Nmero de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partcula; di = dimetro de la partcula; du/dz = gradiente medio del sistema
Von Smoluchowski (1918)
=1
6 1 2 1 + 2
3
Observaciones del proceso
Floculacin Acelera
Agitacin lenta
Teora basada en el gradiente de velocidad
Floculacin
Gradiente de velocidad
=
G = Gradiente de velocidad medio, 1/s; P = Potencia necesaria, W; = viscosidad dinmica, Ns/m2; V = Volumen del tanque, m3; td = tiempo de detencin, s; Q = caudal, m3;
Camp y Stein
Considerando el tiempo de detencin terico
=
=
1
=
Floculacin
H = Nmero de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partcula; di = dimetro de la partcula; G = gradiente de velocidad promedio;
Camp y Stein
=1
6 1 2 1 + 2
3
Smoluchowski
Laminar Turbulento
Floculacin
Otros modelos del proceso Argaman & Kaufman
Valor de G no era del todo representativo del proceso de colisin de partculas, de acuerdo a su escala de aplicacin.
El proceso de floculacin combina los efectos de aglomeracin y de ruptura de flculos.
= +
Floculacin
N0 = concentracin de partculas que entran a la cmara de floculacin; N = concentracin de partculas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculacin KA = cte. de aglomeracin; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s;
Para reactor de una sola cmara
0
=1 +
1 + 2
Floculacin
N0 = concentracin de partculas que entran a la cmara de floculacin; Nm = concentracin de partculas que sale da la ltima cmara de floculacin; KA = cte. de aglomeracin; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s; m = nmero de recmaras; t =tiempo total promedio de floculacin
Bajo el supuesto que los coeficientes KA y KB se mantienen constantes en un tanque con m cmaras de floculacin en serie. Determinaron la expresin:
0
=1 +
1 + 2 1 +
1
=0
Floculacin
Expresin equivalente
N0 = concentracin de partculas que entran a la cmara de floculacin; N = concentracin de partculas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculacin K = cte. De la reaccin, 1/(mg/l); D = funcin de distribucin adimensional; m = nmero de compartimentos del floculador;
0
= 1 + 0
Efecto del nmero de compartimentos
Floculacin
Resultado ms importante La compartimentalizacin de un sistema de flujo
continuo ejerce una influencia considerable en la eficiencia del floculador.
Se puede observar el porcentaje de remocin dependiendo del nmero de compartimentos en la figura que pasa de 58% a 85% (para relacin GN0t = 1)
Floculacin Coeficientes de floculacin
Coagulante: sulfato de aluminio
Floculacin
Efecto del Gradiente en la ruptura de flculos Bratby et al.
= 1 + 2
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 pequeo Condiciones de floculacin normalmente empleadas en la prctica (G entre 70 y 15 s-1)
Simplificar la expresin general
Floculacin
Expresin simplificada
0
= 1 +
0
=1 +
1 + 2 1 +
1
=0
Floculacin
Correlacin de la cte. de aglomeracin Muestras del agua del ro Iguaz, en Curitiba, Brasil; Resultados de 300 ensayos de floculacin; Modelo simplificado;
= 0.192 104 0
0.8
Richter
Floculacin
Aspectos prcticos se sabe que siempre es ms difcil flocular aguas de baja turbiedad
Coeficiente de aglomeracin
Vara con la turbiedad del agua cruda
Turbiedad
Coeficiente de aglomeracin
Agua cruda del ro Iguaz (Curitiba, Brasil). Jar-tests Tiempo de floculacin: 15 min Gradiente de velocidad: G = 30 s-1
Floculacin
Relacin tiempo de floculacin 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 floculacin
Floculacin
Relacin tiempo de floculacin y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman
Tiempos de floculacin
G ptimo
Floculacin
Relacin tiempo de floculacin y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman
Condiciones de mezcla rpida Gradiente
Tiempo de mezcla
G tiempo de floculacin
Mezcla rpida
Dosis coagulante
El valor de (G) ptimo al la dosis de sulfato
Valor ptimo de G versus periodo de floculacin
Floculacin
Relacin tiempo de floculacin y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Se determina del grfico de valor ptimo de G versus
periodo de floculacin la relacin:
2.8 =
=
Diversos proyectos realizados en Per, Brasil entre otros con la colaboracin de la CEPIS/OPS, permiten generalizar la expresin
Los valores de (n) y (K) varan en funcin de la calidad de cada agua
Floculacin
Otros modelos del proceso Hudson
=1
6 1 2 1 + 2
3
Parte de la expresin de Camp y Stein d2
d1
d2 >> d1
n1
n2
n1 floc en formacin n2 floc formado partculas que causan turbiedad
Floculacin
Otros modelos del proceso Hudson
=1
6 2 2
3 d2 >> d1
=4
3 2
3 =1
6 2
3
=
2
Reemplazando
Floculacin
Otros modelos del proceso Hudson
=
Supuesto Todas las colisiones resultan efectivas volumen de materia aglutinada por unidad de tiempo
No todas las colisiones resultan efectivas Se define razn de adherencia,
=
2
Floculacin
Nt = materia que no ha sido floculada (turbiedad remanente); N0 = materia inicial (turbiedad cruda); = razn de adherencia;
0
=
Otros modelos del proceso Hudson
Rapidez con que se aglutina el floc depende de: Volumen del floc y no del nmero o tamao de las
partculas involucradas
Qu objetivo tiene? Garantizar la calidad del agua desde el punto de vista
microbiolgico; Asegurar que sea inocua para la salud humana;
Qu es? La eliminacin selectiva de organismos patgenos;
Qu mtodos se utilizan (agentes)? Qumico; Fsico; Radiacin;
Desinfeccin
Agentes qumicos Cloro y sus compuestos Bromo Yodo Ozono Fenol y sus compuestos fenlicos Alcoholes Metales pesados y compuestos afines Colorantes Jabones Compuestos amoniacales Agua oxigenada cidos y lcalis diversos
Desinfeccin
Agentes fsicos Luz Calor Tamices de malla gruesa Tamices de malla fina Desarenadores Filtracin Sedimentacin
Desinfeccin
Radiacin Electromagntica Acstica De Partculas
Proceso selectivo
Desinfeccin
no destruye todos los organismos presentes en el agua
no siempre elimina todos los organismos patgenos
Coagulacin; Sedimentacin; Filtracin;
Procesos previos
La desinfeccin es el ltimo proceso unitario de tratamiento del agua
Desinfeccin sea efectiva
Desinfeccin
Libres de partculas coloidales
Turbiedad Color
Accin del agente desinfectante
Mxima Eficiencia
Turbiedad 1
Coagulacin; Sedimentacin; Filtracin;
H2O
efectivos y eficientes
Algunos conceptos referidos a la destruccin de patgenos del agua Agente esterilizante Es aquel capaz de destruir completamente todos los
organismos (patgenos o no);
Desinfectante Es el agente que inactiva los grmenes patgenos;
Bactericida Agente capaz de inactivar las bacterias;
Cisticida Agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes;
Desinfeccin
Factores que influyen en la accin de los desinfectantes Tiempo de contacto; Tipo y concentracin del agente qumico; Intensidad y naturaleza del agente fsico; Temperatura; pH; Nmero y tipo de organismos; Naturaleza del medio lquido;
Desinfeccin
Tiempo de contacto
Cmo afecta este factor en la desinfeccin?
Desinfeccin
C0 desinfectante
mortalidad
tiempo de contacto
Observaciones realizadas por Chick
Ley de Chick
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfeccin
0
=
Nt = nmero de organismos en el instante t; N0 = nmero de organismos en el instante inicial; k = constante, 1/t;
Nmero de microorganismos destruidos por unidad de tiempo es proporcional al nmero de microorganismos remanentes.
=2.303
0
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfeccin
Desinfeccin de las esporas de anthrax con 5% de fenol (Chick, 1908)
Susceptibilidad uniforme de las especies;
Concentracin constante; Ausencia de compuestos; Parmetros definidos
Supuestos ideales
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfeccin
Desviaciones Velocidad
Destruccin
V
elo
cid
ad
V
elo
cid
ad
desinfectante
Desinfeccin
=2.303
0
Tiempo de contacto Ley de Chick
Desinfeccin
0
= m = constante;
m > 1 aumento de la velocidad con el tiempo; m < 1 disminucin de la velocidad con el tiempo;
Desinfeccin
Supervivencia de E. Coli en agua para un pH de 8.5 y de 2 a 5C Fuente: Fair & Geyer
Tipo y concentracin de desinfectante
Desinfeccin
C0 desinfectante
Agente qumico Efectividad desinfeccin
= constante
C = concentracin desinfectante n = constante; tp = tiempo % mortalidad cte.
Tipo y concentracin de desinfectante
Desinfeccin
Oxidantes fuertes
Eliminacin de microorganismos Remantes txicos
Halgenos (cloro, bromo y yodo). Ozono (O3). Permanganato de potasio (KMnO4). Agua oxigenada (H2O2) y los iones
metlicos.
Compuestos qumicos usados
Intensidad y naturaleza del agente fsico
Desinfeccin
Calor Luz
Sensibilidad microorganismos a temperaturas altas
Rayos ultravioleta
Inactivan los cidos nucleicos (ADN y ARN). No reacciona con los constituyentes del
agua Proceso sencillo. Proceso no necesita tanques de mezcla o
de contacto.
La penetracin de los rayos en el agua limitada.
Perdida de eficiencia Efecto puntual.
Ventajas Desventajas
Desinfeccin
mWs/cm (mJ/cm)
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
Desinfeccin
Temperatura de la desinfeccin
Desinfeccin
12= 2 112
R = cte. de los gases E = energa de activacin, J/mol; t1; t2 = tiempo % mortalidad a temperaturas T1 y T2, K
Vant Hoff-Arrhenius
velocidad de desinfeccin
velocidad de difusin del desinfectante a travs de la pared celular
velocidad de reaccin con una enzima
Temperatura de la desinfeccin - pH
Desinfeccin
Energa de activacin para compuestos de cloro, en la destruccin 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 accin de los desinfectantes
pH del agua
dosis de desinfectante T y tc
rango de pH de mayor efectividad
+ alcalina es el agua
Nmero y tipo de microorganismos
Desinfeccin
El nmero de microorganismos afecta el proceso de desinfeccin? No. Para eliminar 1 o 1000 se requiere la misma C0 y tc T y pH del agua sean los mismos
= constante
C = concentracin desinfectante q = constante relacionada con desinfectante; Np = concentracin de organismos reducidos en % y tiempo determinado
Relacin emprica
Nmero y tipo de microorganismos
Desinfeccin
El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia en el proceso de desinfeccin? S.
Resistencia de la membrana Penetracin; Afinidad qumica;
Menos resistentes Coliforme; Salmonelas;
Altamente resistentes Esporas bacterianas;
Variables controlables en el proceso: La naturaleza y concentracin del desinfectante; El grado de agitacin al que se somete al agua; El tiempo de contacto entre los microorganismos y el
desinfectante;
Desinfeccin
Qu es el Cloro? Gas de color verde amarillento y olor sofocante; En la naturaleza se encuentra en forma de cloruros;
Desinfeccin con Cloro
Compuestos de cloro
Cl2
ClO2
Ca(OCl)2
NaOCl Plantas de tratamiento pequeas (prefabricadas) Piscinas Pozos
Caractersticas del Cloro como desinfectante Destruye organismos patgenos del H2O; De fcil aplicacin, manejo sencillo y bajo costo; La determinacin de C0 en el agua es sencilla y de bajo
costo; Dosis no constituye riesgo para el hombre ni para
los animales; Efecto residual proteccin posterior contaminacin;
Desinfeccin con Cloro
Qumica del Cloro en el agua
Desinfeccin con Cloro
2 + 2 + + +
+ +
Cloro libre disponible ;
Desinfeccin con Cloro
Relacin del pH y T en la produccin de HCOl%
Otras reacciones Cloraminas
Desinfeccin con Cloro
3 + 2 + 2
2 + 2 +2
2 + 3 + 2
monocloramina
dicloramina
Tricloruro de nitrgeno
Punto de quiebre
Desinfeccin con Cloro
A
B