DOSIS ÓPTIMA DE COAGULANTE

Autores:

Cotes Rojano Sharon Dayana Gallo Vélez, David Tascón Calvache, Ana Camila Villamizar Sierra, Rosa Elvira ING. AMBIENTAL Y SANITARIA FACULTAD DE INGENIERIA UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA INTRODUCCIÓN:

En el tratamiento de aguas crudas se realizan diferentes procedimientos para remover los sólidos presentes y desinfectar el agua de manera que este en óptimas condiciones para el consumo humano.

Una de las etapas del tratamiento es la coagulación para la cual se utiliza un reactivo químico que desestabiliza las cargas de los colides permitiendo que estos se unan formando partículas de mayor tamaño.

En la práctica no sería adecuado adicionar una cantidad arbitraria de coagulante porque esto podría representar sobrecostos al encargado de realizar el tratamiento del agua o, si se agrega una cantidad menor que la necesaria, la coagulación no sería efectiva. Por esta razón se deben realizar ensayos previos en el laboratorio para determinar la cantidad óptima de coagulante que se debe adicionar a un agua cruda con determinadas condiciones

OBJETIVOS:

General

Determinar la dosis óptima de coagulante para el tratamiento de una muestra de agua cruda.

Específicos Analizar la incidencia del pH y la alcalinidad con el proceso de coagulación. Comparar los valores de turbidez con el porcentaje de remoción de sólidos

suspendidos

MARCO TEORICO:

La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas, esto implica la formación de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo. Existen dos modelos de la coagulación. El modelo físico o de la doble capa, basado en fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión. El otro modelo es químico, llamado “puente químico”, que relaciona una dependencia entre el coagulante y la superficie de los coloides. Para la coagulación existen también dos modelos. El primero es llamado ortocinético, el cual es promovido por agitación externa principalmente. Influyen partículas de tamaño superior al micrón y tiene relación con los gradientes de velocidad del líquido. El segundo modelo se llama pericinético y se diferencia del primero en que su fuente de agitación es interna. Principalmente importarán el movimiento browniano y la sedimentación. Su efecto es principalmente sobre partículas de tamaño inferior a 1 micrón. (Universidad de Chile) METODOLOGÍA: Materiales:

Equipo pruebas de jarra Turbidímetro pH metro Beakers o Vasos de precipitado (1l) Sulfato de aluminio tipo B

Procedimiento: A una muestra de agua cruda inicial se le determinan alcalinidad, pH y turbiedad.

Se toman seis vasos de precipitado marcados de 1 a 6 y en cada uno de ellos se añade el

mismo volumen de agua cruda (900ml). A cada uno de estos vasos se añadirá una cantidad diferente de coagulante (20,30,35,40,45 y 50 mg/l respectivamente)

Preparamos la solución del coagulante (Sulfato de aluminio) tipo B al 1 %. Esta solución se

prepara añadiendo 1g de sulfato de aluminio por cada 100ml de agua destilada. Con algún dosificador se toma el volumen de Solución coagulante necesaria para que haya

una equivalencia con la medida en mg/l que se desea añadir a cada Beaker. Después de tener los volúmenes de coagulante para cada Beaker, colocamos el equipo de

pruebas de jarra a una velocidad de 130 rpm y posteriormente y de manera simultánea agregamos el coagulante para cada vaso de precipitado, dejándolo actuar durante 1 min.

Pasado el minuto, se baja la velocidad a 45 rpm por un transcurso de 15 minutos.

Apagamos el equipo y dejamos que los floculos sedimenten por 3 minutos. Tomamos una muestra de 20 ml de cada jarra al mismo tiempo y finalmente a cada una de

estas muestras se le determinan nuevamente la turbiedad, pH y alcalinidad remanentes. Este procedimiento se repite para las siguientes medidas de coagulante

(55,60,70,90,100,120) mg/l

RESULTADOS:

Tabla 1. Condiciones iníciales del agua cruda recipiente 1

Tabla 2. Condiciones iníciales del agua cruda recipiente 2.

Procedencia Elaborada RECIPIENTE 1

Aspecto Turbio Turbiedad (UNT) 59 Ph 7,3 Alcalinidad (mg/l) 319,25 Temperatura (°C) 25

Procedencia Elaborada RECIPIENTE 2

Aspecto Turbio

Turbiedad (UNT) 28,78 Ph 7,3 Alcalinidad (mg/l) 349,5 Temperatura (°C) 25

Tabla 3. Medición de las condiciones remanentes, recipiente 1.

Tabla 4. Condiciones finales agua recipiente 2.

Muestra 1 Dosis Coagulante 20 30 35 40 45 50 Reducción de turbidez (%) 96,3 97,6 93,1 98,1 98,1 92,0

Tabla 5. Reducción de la turbidez relacionada con una cantidad de coagulante M1.

Tabla 6. Reducción de la turbidez relacionada a una cantidad de coagulante M2.

Recipiente 1 Jarra 1 2 3 4 5 6 Dosis(mg/l) 20 30 35 40 45 50 ml sln agregados 1,8 2,7 3,1 3,6 4 4,5 Turbiedad remanente (UNT)

2,16 1,39 4,10 1,11 1,1 4,71

pH 7,28 7,18 7,24 7,25 7,26 7,17 Alcalinidad Remanente(mg/l)

320,5 286 346,5 279 324,25 309

Recipiente 2 Jarra 1 2 3 4 5 6 Dosis(mg/l) 55 60 70 90 100 120 ml sln agregados 5 5,4 6,3 8,1 9 10,8 Turbiedad remanente (UNT)

1,32 2,45 5,89 3,02 3,92 3,67

pH 7,14 7,11 7,04 6,99 6,94 6,88 Alcalinidad Remanente(mg/l)

278 259 299 252 244,5 237,9

Muestra 2 Dosis Coagulante 55 60 70 90 100 120 Reducción de turbidez (%) 95,4 91,5 79,5 89,5 86,4 87,3

Ilustración 3. Condiciones iniciales de la muestra de agua.

Ilustración 2. Condiciones del agua durante el proceso de sedimentación.

ANALISIS DE RESULTADOS:

A partir de la grafica anterior podemos observar que existen tres valores atípicos de la turbidez en las muestras, dado que no coinciden con el patrón de variación anterior.

Estos valores pueden estar asociados a una contaminación de la muestra durante el transvaso del Beaker al recipiente donde se mide la turbidez en el nefelómetro.

Para evaluar la efectividad de las distintas dosis de coagulante utilizadas, lo mejor es comparar la dosis agregada con el porcentaje de remoción de sólidos suspendidos. Este último se expresa en función de la turbiedad que está directamente asociada a los sólidos suspendidos de una solución.

De la grafica anterior se puede deducir que la dosis optima de coagulante es 45 mg/l debido a que esta permitió una remoción del 98,1% de los sólidos suspendidos que se encontraban en el agua cruda, sin embargo, debido a los errores procedimentales, se recomienda ubicar esta dosis en un rango de 40-55 mg/l . Donde hubo porcentajes de remoción por encima del 95%.

0

2

4

6

8

0 50 100 150

Turb

ieda

d

Dosis de coagulante

Dosis Vs. Turbiedad

Dosis de coagulante Vs. Turbiedad Recipiente 1.

Dosis de coagulante Vs. Turbiedad Recipiente 2.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0 50 100 150

% R

emoc

ión

de so

lidos

susp

endi

dos

Dosis Coagulante

Dosis Vs. % Remoción de sólidos suspendidos

Dosis Vs. % Remoción Muestra 1

Dosis Vs. % Remoción Muestra 2

Lo anterior muestra una interdependencia leve entre el coagulante agregado y las condiciones de pH y alcalinidad, lo cual es lógico teniendo en cuenta que al adicionar una sal (Sulfato de aluminio) el pH varia hacia el lado ácido. Por consiguiente, la alcalinidad o basicidad se ve disminuida.

Por otro lado, en las tablas 3 y 4 (especialmente la 4) se evidencia que a medida que el pH se reduce, es decir, adquiere valores ligeramente ácidos se presenta una mayor turbidez en las muestras de agua por lo cual

Debido a los errores obtenidos en algunos valores de turbiedad, no es posible realizar una grafica que compare esta cantidad con el pH y la alcalinidad debido a que no se obtiene un trazo lógico que permita deducir alguna información. Si se desea evaluar la interdependencia de la turbidez con estos dos aspectos, se debe realizar de nuevo el ensayo de laboratorio.

Como se puede observar en la Tabla 7 el valor máximo permisible de turbiedad apta es de 2 UNT para el consumo humano. En nuestra experiencia, sugerimos una dosis optima de coagulante que estaba en el rango de 40 – 45 mg/l. Comparándola con la resolución se puede aseverar que dicha dosis es la adecuada y cumple con la exigencia establecida, puesto que la turbiedad de las jarras 4 y 5 correspondientes a esas dosis son las más bajas.

También podemos concluir que las dosis de 20, 35 y 50 están totalmente descartadas por la resolución, en el recipiente 2 solo la dosis de 55mg/l cumple con la exigencia de la resolución.

6,86,9

77,17,27,3

0 50 100 150

pH

Dosis coagulante

Dosis Vs. pH

Dosis Vs. pH Recipiente 1.

Dosis Vs. pH Recipiente 2

050

100150200250300350400

0 50 100 150

Alca

linid

ad

Dosis coagulante

Dosis Vs. Alcalinidad

Dosis Vs. Alcalinidad Recipiente 1.

Dosis Vs. Alcalinidad Recipiente 2

En adelante, la turbiedad del agua después de ser tratada seguía elevada, confirmando lo dicho en el apartado anterior que el exceso de coagulante sería contraproducente. Así mismo elevaríamos los costos, aspecto que un ingeniero debe evitar a toda costa

Tabla 7. Características físicas permisibles para el consumo humano Dec. 1575 de 2007

CONCLUSIONES:

La dosis óptima estimada es de 45mg/l. Se sugiere realizar otro ensayo con dosis entre los 40-55 mg/l para obtener un dato más preciso.

Las tablas 3 y 4 (especialmente la 4) muestra la relación que existe entre el pH y la turbidez del agua. Se evidencia que mientras el pH es toma valores más pequeños, es decir, de carácter acido, la turbidez de las muestras es mayor o sea que hay menor remoción de sólidos suspendidos.

De manera general, el porcentaje de remoción de sólidos estuvo por encima del 90% en las dosis de coagulante por debajo de los 70mg/l . A partir de este valor, la remoción de sólidos se ubico entre el 80 y el 90%. Es decir que añadir coagulante en exceso resulta más contraproducente, para el tratamiento de aguas crudas, que añadir una cantidad inferior.

Cuando se aplica la dosis óptima de coagulante se logran reducir los niveles de turbiedad a los que se encuentran permitidos por el Dec. 1575 de 2007 que establece las condiciones adecuadas para el agua que se utiliza para el consumo humano.

Ilustración 4. Condiciones finales en uno de los vasos utilizados durante el ensayo.

PREGUNTAS Y PROBLEMAS: 1. ¿Cuánto dinero se ahorra mensualmente un acueducto que trata 120 l/seg. si en lugar

de utilizar la dosis óptima de sulfato de aluminio, aplica una dosis menor, con resultados satisfactorios? Valor del sulfato de aluminio $1200 / Kg.

2. ¿En qué consisten la Difusión y la Propiedad de Superficie de los coloides?

Difusión Es una de las propiedades cinemáticas de los coloides En un sistema disperso, las partículas se difunden, espontáneamente, desde las zonas de concentración más elevadas a otras de concentración inferior, hasta que la concentración se hace completamente uniforme en todo el sistema.

Esta propiedad responde a la ley de Fick, la cantidad, dq, de sustancia que se difunde en un tiempo dt, a través de un plano de área A, es directamente proporcional a la variación de la concentración, dc, con la distancia recorrida, o sea, que esta ley viene dada por la ecuación:

En donde D es el coeficiente de difusión, que representa la cantidad de sustancia difundida, por unidad de tiempo, a través de un área de unidad cuando dc/dx, o sea, el gradiente de concentración, es la unidad. (Universidad de Chile, 2009) Superficie de los coloides La superficie específica de los coloides en general es muy alta ya que sus partículas son muy pequeñas. Esto permite que tengan una gran capacidad de adsorción de sustancias. A medida que se pulveriza una sustancia aumenta su superficie. Si la superficie de la micela atrae y se une a las moléculas del medio dispersante, el coloide se llama liófilo (atrae los líquidos) si los repele se llama liófobo (repulsión a los líquidos). En el caso de ser el agua el medio dispersante se llaman hidrófilos o hidrófobos respectivamente. La estabilidad de la suspensión coloidal se debe a la existencia de la carga eléctrica del mismo signo en la superficie de las micelas lo que produce repulsión entre ellas y evita su asociación y precipitación. (Rios, 2007)

3. ¿Qué diferencia existe entre la composición del color y turbiedad del agua?

Ítem Color Turbiedad Composición Física Sustancias disueltas

parcialmente coloidales

Arcillas Colídales

Composición Química Ácidos orgánicos con pesos moleculares entre 200 y 50000

Cristales de silicatos

Origen Orgánico Mineral Tamaño Dispersión 87% < 0,01 µ Entre 0,1 y 10µ Intensidad Aumenta el pH No varia pH Comportamiento Se comporta como

sustancias disueltas Se comporta únicamente en suspensiones coloidales

Fuente (Arboleda Valencia, 2000)

Trabajos citados

Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y practica de la purificación del agua. McGraw Hill.

Rios, E. G. (2007). Quimica. Colombia: Editorial Norma.

Universidad de Chile. (22 de Septiembre de 2009). Sistema de Servicios de Informacion y Bibliotecas. Recuperado el 23 de Febrero de 2012, de Reposorio ciencias quimicas y farmaceuticas: http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/ap-fisquim-farm12/c18.html

Universidad de Chile. (s.f.). Universidad de Chile. Obtenido de Ciencia abierta: http://cabierta.uchile.cl/revista/15/articulos/pdf/edu4.pdf