Tema 8 GIQUI (Otros tratamientos) PDF

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Tratamiento de Aguas 4º Curso Grado en Ingeniería Química Industrial Mención en Ingeniería Ambiental y Sostenibilidad Tema 8 OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE ABASTECIMIENTO Profesores: Yolanda FERNÁNDEZ NAVA CONTENIDO Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE ABASTECIMIENTO 1. Reducción de la dureza del agua mediante intercambio iónico 2. Tratamientos avanzados 2.1. Eliminación de olor y sabor 2.2. Eliminación de hierro y manganeso  1. REDUCCIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA (ABLANDAMIENTO) Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE  Tiene por objeto disminuir la dureza (presencia de Ca2+ y Mg2+)  Suele ser necesario para durezas > 200 ppm  Las aguas subterráneas son mucho más duras que las superficiales (hasta 1500 ppm) ABASTECIMIENTO  Un agua dura puede ser aceptable para el consumo humano pero no para algunos usos industriales  Para el ablandamiento de un agua se puede recurrir a la adición de cal y carbonato sódico o a un proceso de intercambio iónico EFECTOS DE LA DUREZA DEL AGUA  Precipita jabones  previene la formación de espuma  Causa incrustaciones en calderas, conducciones y otros equipos de agua caliente  Aguas muy blandas no son buenas para la salud (enfermedades cardiovasculares)  Aguas con dureza cero son muy corrosivas (problemas en conducciones de plomo) 1. REDUCCIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA (ABLANDAMIENTO) Incrustaciones calcáreas Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE ABASTECIMIENTO TRATAMIENTOS  Ablandamiento con cal  Dureza temporal (carbonatada)  Ablandamiento con carbonato sódico  Dureza permanente (no carbonatada)  Ablandamiento mediante intercambio iónico  Dureza temporal y permanente  1. REDUCCIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA (ABLANDAMIENTO) MEDIANTE INTERCAMBIO IÓNICO Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE  El intercambio iónico es un proceso reversible que consiste en el intercambio de iones entre una fase líquida y una sólida. Los iones del agua se intercambian con iones del intercambiador (fase sólida) hasta que se produce su saturación.  Cuando el intercambiador se satura puede regenerarse con una solución ABASTECIMIENTO concentrada de cloruro sódico.  Los intercambiadores pueden ser de origen natural (ZEOLITAS naturales – hasta 50 tipos) o sintético (zeolitas sintéticas o RESINAS de intercambio iónico).  Los iones Ca2+ y Mg2+ del agua se intercambian por Na+. Estructura de una zeolita Estructura de una resina 1. REDUCCIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA (ABLANDAMIENTO) MEDIANTE INTERCAMBIO IÓNICO Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE Empleo de RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO  Normalmente sintéticas  Pueden fabricarse con las características específicas que se necesiten  Dos tipos básicos: ABASTECIMIENTO  Resinas catiónicas Forma sódica  regenerar con NaCl: 2 R-Na + Ca2+ → R2Ca + 2 Na+ Forma ácida  regenerar con HCl o H2SO4 R-H + Ca2+ → R2Ca + 2 H+  Resinas aniónicas Forma clorada  regenerar con NaCl o HCl: R-Cl + NO3- → R-NO3 + Cl- 2 R-Cl + SO42- → R2SO4 + 2 Cl- Forma básica  regenerar con NaOH: R-OH + NO3- → R-NO3 + OH- R-OH + SO42- → R2SO4 + 2OH-  1. REDUCCIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA (ABLANDAMIENTO) MEDIANTE INTERCAMBIO IÓNICO Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE Proceso de intercambio iónico en columna 1. Etapa de carga Capacidad de saturación y capacidad de ruptura ABASTECIMIENTO (mg contaminante retenido/ml de resina) 2. Etapa de regeneración Capacidad de regeneración (mg contaminante expulsado/ml de resina) Factor de concentración: Volumen de solución tratada/Volumen de regenerante 2. TRATAMIENTOS AVANZADOS 2.1. Eliminación del olor y el sabor: CAUSAS  A menudo son indicadores de problemas más serios y necesitan Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE tratamiento urgente.  Posibles causas de este tipo de contaminación son:  Degradación de materia orgánica (algas).  Combinación con elementos traza. ABASTECIMIENTO  Presencia de bacterias sulfato reductoras y bacterias oxidantes del hierro.  Aguas estancadas en conducciones largas de los sistemas de distribución de agua debido a la presencia de hongos.  Entrada de aguas industriales en el sistema de distribución por roturas o fugas en tuberías.  SOLUCIONES:  Limpiezas de conductos por descargas de agua: método más sencillo y con frecuencia, eficaz. Debería realizarse rutinariamente.  Aireación: no tan eficaz si el problema se debe a la presencia de sustancias orgánicas.  Supercloración + decloración.  Ozonización: muy eficaz, no deja sustancias residuales problemáticas pero resulta costosa.  Adsorción: proceso eficaz (se verá a continuación).  2. TRATAMIENTOS AVANZADOS 2.1. Eliminación del olor y el sabor: ADSORCIÓN  Posibles mecanismos de adsorción: Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE  Naturaleza hidrofóbica del soluto.  Afinidad del soluto por el sólido (fenómeno de carga superficial, fenómeno de atracción de masa o de reacción química).  Una combinación de ambos. ABASTECIMIENTO  La velocidad de adsorción depende del tipo de material adsorbente, del tamaño de partícula, del tamaño de poro, de la temperatura y del pH.  Los adsorbentes deben tener un área superficial muy elevada.  Muchas sustancias orgánicas pueden ser eliminadas por adsorción, pero no sustancias hidrofílicas ni iones. ADSORCIÓN CON CARBÓN ACTIVO  El carbón activo es el adsorbente más empleado en el tratamiento de agua.  En el tratamiento de agua potable se usa para eliminar sustancias orgánicas y como tratamiento de afino.  Se obtiene por pirólisis a partir de una variedad de materias primas: carbón bituminoso, carbón vegetal, lignito, coque de petróleo, madera, residuos leñosos… 2. TRATAMIENTOS AVANZADOS 2.1. Eliminación del olor y el sabor: ADSORCIÓN Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE ADSORCIÓN CON CARBÓN ACTIVO  Su característica principal es su elevada área superficial (500-1500 m2/g), cuyo valor depende de la materia prima empleada.  La mayor parte del área superficial está contenida en los poros. ABASTECIMIENTO  La forma comercializada más común es el Carbón activo granular (GAC). El tamaño de partícula es superior a 0.1 mm, se pueden distinguir dos rangos de tamaño: de 2 a 5 mm (tamaño grande) y de 0.5 a 1.2 mm (de tamaño menor pero más efectivo). Se utilizan eficazmente en columnas donde el líquido a depurar pasa a través del lecho de carbón.  TRATAMIENTOS AVANZADOS Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE Eliminación del olor y el sabor: ADSORCIÓN DISEÑO DE SISTEMAS DE ADSORCIÓN: Procesos con GAC  Puede operar en flujo descendente o ascendente.  Se limpia el lecho mediante lavado en contracorriente.  Tiempos de residencia del agua en el lecho en el rango de 15-20 min. ABASTECIMIENTO  Se diseñan para alcanzar la capacidad de saturación en un periodo de entre 3 y 12 meses.  Regeneración del GAC:  Lavado con disolvente  Lavado con ácido o álcali  Tratamiento con vapor de agua  Regeneración térmica (el más utilizado)  Variables de diseño: - Tiempo de contacto - Carga hidráulica - Profundidad del lecho - Número de unidades de contacto (mínimo de dos) 2. TRATAMIENTOS AVANZADOS 2.1. Eliminación del olor y el sabor: ADSORCIÓN Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE Resumen parámetros habituales de diseño de lechos de carbón activo Parámetro de diseño Unidades Valores Tiempo de contacto para un efluente ABASTECIMIENTO con DQO de 10-20 mg/l min 15-20 5-15 mg/l min 30-35 Carga hidráulica Columnas de flujo ascendente m3/m2.h 10-24 Columnas de flujo descendente m3/m2.h 7-12 Profundidad de carbón m 2.0-6.0  2. TRATAMIENTOS AVANZADOS Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE 2.2. Eliminación de hierro y manganeso Problemas que producen HIERRO  Manchas en tejidos  Decoloración de superficies y verduras en el cocinado ABASTECIMIENTO  Puede dar sabor (umbral 0.3 mg/L)  Puede reaccionar con taninos del té y otras bebidas produciendo una coloración negruzca  Concentración máxima permitida (EU) 0.2 mg/L y valor guía de 0.05 mg/L MANGANESO  Similares pero más severos  Concentración máxima permitida (EU) 0.05 mg/L y valor guía de 0.02 mg/L Ambos metales se encuentran presentes disueltos en el agua sólo cuando el agua es pobre en oxígeno disuelto (aguas subterráneas) 2. TRATAMIENTOS AVANZADOS 2.2. Eliminación de hierro y manganeso Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE Eliminación del hierro Fundamento: Proveer suficiente oxígeno al agua para que los metales precipiten y puedan separarse por sedimentación o filtración. ABASTECIMIENTO 2 Fe2+ + O2 + 2 H+→ 2 Fe3+ + 2 OH- Una vez oxidado el hierro precipita fácilmente formando hidróxido férrico ajustando el pH. Cuando el requerimiento de oxígeno es bajo, un simple aireador eliminará CO2 del agua, lo que provocará un aumento del pH, además de suministrar oxígeno para la formación de hidróxido férrico. Para concentraciones altas de hierro (hasta 20 mg/L) se añade cal para aumentar el pH, facilitar la oxidación y producir flóculos de hidróxido más densos. También puede añadirse cloro para oxidar el ion ferroso pero puede formarse una suspensión coloidal.  2. TRATAMIENTOS AVANZADOS Tema 8. OTROS TRATAMIENTOS DE AGUAS DE 2.2. Eliminación de hierro y manganeso Eliminación del manganeso El hidróxido de manganeso es bastante soluble. La eliminación del manganeso se puede realizar mediante: ABASTECIMIENTO  Cal y sulfato ferroso a pH 9  Pre-cloración y pequeñas dosis de permanganato potásico  Intercambio catiónico Si el manganeso pasa a las etapas finales del tratamiento de agua se combina con el cloro produciendo un depósito de limo negro en el sistema de distribución de agua.