1

Laboratorio de Procesos y Diseño III.

Proyecto Terminal:

“Recuperación de Cromo proveniente de efluentesindustriales y su tratamiento con biomasa”.

Por:Ismarck Desance.Jaime Trejo Gallardo.

Asesora:

Dra. Gretchen Terri Lapidus Lavine.

15 de Abril del 2004.

2

INDICE DE CONTENIDO.

1.- DESCRIPCIÓN DE LOS OBJETIVOS GENERALES DEL PROYECTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2.- ASPECTOS DE SEGURIDAD. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .4

3.- ESTUDIO DEL MERCADO Y CONOCIMIENTO DE LA INDUSTRIA EN CUESTIÓN. . . . .. . . . . . . 6

4.- REVISION DE PROCESOS EXISTENTES Y SINTESIS PRELIMINAR . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .13

6. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

7. METODOLOGÍA A SEGUIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

8.- RESULTADOS EXPERIMENTALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .16

9.- PROBLEMAS ASOCIADOS CON LAS ETAPAS Y LA IMPOSIBILIDAD PARA SER INCORPORADASAL PROCESO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

10.- PROPUESTA MODIFICADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 21

11. ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL PROCESO DE ADSORCIÓN. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

12.- METODOLOGÍA ADOPTADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 30

13.- COSTEO DEL PROCESO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 34

14.- CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

15.- BIBLIOGRAFIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

16.- APENDICES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

3

1.- DESCRIPCIÓN DE LOS OBJETIVOS GENERALES DEL PROYECTO.

El objetivo general del proyecto es el desarrollo de un proceso para la remoción y recuperación de cromo(III y VI) proveniente de los efluentes residuales de industrias como la metalmecánica, mediante lautilización de biomasa. También se ha planteado la necesidad de diseñar un proceso que no solo permita laremoción de cromo, sino que también permita obtener un producto de alto valor agregado.

Justificación y relevancia de los objetivos.

El desarrollo industrial de los países requiere de constante investigación dirigida hacía laimplementación de tecnología actualizada y adecuada a las necesidades que se plantean en cada momento,tanto de carácter económico, como social o medioambiental. El desecho de sustancias tóxicas por muchasindustrias, es un tema en el cual se ha dedicado especial atención y esfuerzo en los últimos años debido a laimportancia que posee desde el punto de vista tanto del aprovechamiento de recursos disponibles, como dela protección del medio ambiente. Es por esta razón se ha planteado el presente proyecto para aplicar losconocimientos existentes en las áreas de la termodinámica de adsorción, electroquímica y metalurgiaextractiva con el objetivo de desarrollar una tecnología apropiada.

Oportunidad existente o futura para desarrollar el proyecto.

La oportunidad para desarrollar el proyecto propuesto es excelente, porque existe una crecientepreocupación ante la progresiva degradación que están sufriendo los recursos hídricos con el vertidoincontrolado de residuos industriales y la necesidad de poder disponer de tecnologías económicamenteviables para aplicar las normativas existentes en cada país en un plazo lo más breve posible.

Impacto de los resultados esperados.

El estudio de las propiedades de la biomasa como adsorbente en este proyecto posee un gran interésdesde el punto de vista científico y tecnológico. El interés que ofrece la biomasa está basado en la búsquedade nuevos procesos para el tratamiento de residuos inorgánicos tóxicos.

Existe la posibilidad de transferencia inmediata de los resultados esperados al sector industrial, dada lanecesidad expresada por las diferentes organizaciones sociales de solucionar los problemas que ya se hanplanteado y requieren una solución urgente. Por tal motivo, este proyecto se ha planteado a modo dedesarrollar un sistema de tratamiento de las aguas residuales mediante el cual los iones metálicos,especialmente cromo, puedan ser removidos de los efluentes y sean reincorporados a los diferentes procesosindustriales o bien, sean destinados a la obtención un producto de alto valor agregado, como podría ser elcaso de cromo metálico o bien cromo negro para paneles solares.

Proyecto ante aspectos sociales.

El vertido incontrolado de residuos industriales y municipales a ríos y lagos está causando seriosproblemas a los recursos hídricos de muchas regiones, poniendo en peligro en muchos casos el equilibrio delos distintos ecosistemas y la salud pública de habitantes de los mismos.

El creciente aumento en la sensibilidad de la opinión pública ante el problema de la contaminación delas aguas generado por las industrias, ha hecho que el control de los residuos sea más exigente día a día yque se estén introduciendo normas cada vez más restrictivas sobre el contenido permitido de compuestostóxicos o peligrosos en los vertidos industriales. Ante el dilema que plantea la protección de la salud públicafrente al progreso, se está haciendo imprescindible la incorporación de tecnologías más o menos sofisticadaspara la depuración de las aguas residuales de muchas industrias.

Actualmente el método mas usual para el tratamiento de los efluentes con contenido de cromo de laindustrias, es la precipitación. En la Figura 1 se muestra un procedimiento común donde se utiliza ácido

4

sulfúrico, e hidróxido de sodio como agente precipitante. Aquí también se observa que el cromo se recuperacomo sulfato de cromo. Este método tiene la desventaja que se emplean cantidades elevadas de reactivos(H2SO4 Y NaOH) y se produce una agua con un alto contenido de sales disueltas y un producto de poco valoreconómico.

Figura 1. Esquema del tratamiento de aguas con contenido de cromo por el método de precipitación.

2.- ASPECTOS DE SEGURIDAD.

Evaluación toxicológica.

El cromo está presente en la naturaleza, casi exclusivamente como Cromo (III) y a menudo es el mineralllamado cromita (FeCr2O4).

Otras valencias comunes están presentes como un resultado de procesos de manufactura:

ü Valencia cero, para cromo metálico y muchas aleaciones que contengan cromo incluyendoacero inoxidable.

ü Cromo trivalente se reconoce como un elemento esencial en la dieta humana y animal. Esimportante en el metabolismo de la glucosa.

ü Cromo hexavalente predomina principalmente en los procesos de manufactura y tambiénen procesos metalúrgicos como la producción de ferrocromo y acero inoxidable y en algunas operacionesde hornos de alta temperatura donde se usan contenedores de cromo.

Los efectos mas significativos a la salud, están relacionados con los compuestos de cromo hexavalente.La exposición a tales compuestos puede dar como consecuencia, agudos efectos tales como daños en elpulmón, irritación de piel, ulceración, irritación nasal etc. El efecto mas serio hacia la salud es el cáncer delpulmón.

Estudios epidemiológicos han confirmado que una exposición prolongada a altos niveles de cromohexavalente, como puede encontrarse en sustancias químicas y pigmentos de cromo en la manufactura yprocesos de plateado electrolítico donde se usa ácido crómico, han ocasionado una incidencia alta de cáncerrespiratorio con un periodo latente en exceso de 15 años.

1

2

4 6

3

Aguas conCromo

Etapa dePrecipitación

Etapa desedimentación

Etapa decentrifugación

Etapa deSolubilización

1.- Efluentes con Cromo.2.- H2SO43.- NaOH4.- Solución de sulfato de Cromo.5.- H2SO46.- Agua hacia el desagüe.

5

Normatividad establecida.

La normatividad puede variar de lugar, en México se establece que el limite máximo permisible decromo hexavalente es:

LIMITES MAXIMOS PERMISIBLESPARAMETROS

(miligramos por litro, exceptocuando se especifique otra)

PromedioMensual

PromedioDiario Instantáneo

Cromo hexavalente 0.5 0.75 1Tabla 2.1.- Limites máximos para cromo (VI) [18].

Los límites máximos permisibles establecidos en la columna instantáneo, son únicamente valores dereferencia. En el caso de que el valor de cualquier análisis exceda el instantáneo, el responsable de ladescarga queda obligado a presentar a la autoridad competente en el tiempo y forma que establezcan losordenamientos legales locales, los promedios diario y mensual, así como los resultados de laboratorio de losanálisis que los respaldan.

Impacto ambiental.

El cromo puede presentarse en los estados de oxidación VI como cromatos y dicromatos, es fuertementeoxidante y es el más tóxico. Los dos estados de oxidación mas frecuentes en el ambiente, Cr (VI) y Cr (III),son fácilmente interconvertibles, dependiendo la dirección de esta conversión fundamentalmente del pH delmedio, de la presencia de condiciones aerobias o anaerobias y de la temperatura. En un medio alcalino y encondiciones aerobias, puede ocurrir la oxidación del Cr (III) a Cr (VI). Esta oxidación es más intensa atemperaturas más altas [11].

Se ha observado que la oxidación de Cr (III) a Cr (VI) se lleva a cabo en presencia de Mn oxidado. Estaoxidación parece favorecerse a pH bajo, debido a la participación de protones en la mayoría de los procesosimplicados en la oxidación de cromo y la reducción del Mn. No se ha hallado la oxidación de Cr (III) a Cr(VI) en suelos ricos en humus o en suelos libres de humus, sin embargo se ha hallado liberación de Cr (VI) apartir de polvo de cuero curtido con Cr (III) en verniculita y en suelos limosos pobres en humus, a pH 8-8,5y humedad relativa del 95%. Estos resultados indican la existencia de problemas de toxicidad de cromo ensuelos esterilizados mediante calor, o en suelos alcalinos, pobres en materias orgánicas y con alto contenidoen humedad.

Por regla general la contaminación por cromo del agua superficial y de los sedimentos no suelerepercutir de forma peligrosa en los niveles de cromo en el agua subterránea, debido a la retención delcromo por las partículas del suelo durante el proceso de infiltración. No obstante, en ocasiones se haobservado contaminación por Cr (VI) en aguas subterráneas, causando problemas en el abastecimiento deagua potable.

Anualmente grandes cantidades de cromo se utilizan en la producción de acero inoxidable, de metalescromados, en la industria del cuero para el curtido de las pieles, etc. La industria peletera, especialmentelas curtidoras, generan miles de toneladas de desechos sólidos, potencialmente tóxicos, debido a su altocontenido en cromo. Respecto a esto la Agencia de Protección Ambiental de EEUU (EPA), advirtió que "elcromo, arsénico, mercurio y los sulfuros que utilizan las curtiembres y que éstas no saben como eliminar oque son lanzados a la superficie causan severos daños, como la leucemia. Son también cancerígenos depulmón, cavidad nasal y seno paranasal" [12]. A pesar de los anuncios de organismos como la EPA, la OMS(Organización Mundial de la Salud), o la OPS (Organización Panamericana de Salud), las sustanciastóxicas, en el medio ambiente y en la salud de la población, siguen ocasionando graves perdidas naturales yhumanas.

6

3.- ESTUDIO DEL MERCADO Y CONOCIMIENTO DE LA INDUSTRIA EN CUESTIÓN.

Producción mundial.

El mineral de cromo (cromita) no se encuentra en los Estados Unidos, Canadá, o México. La cromitasolamente se explota en el Hemisferio Occidental en Brasil y en Cuba. Los países productores más grandesde cromita en el mundo son: India, Kazakstán, y Sudáfrica. Estos países responden a casi el 76% deproducción mundial. Sudáfrica constituye más del 45% de producción mundial y ha sido el proveedor mayorde cromo en forma de mineral y ferrocromo a países occidentales industrializados.

La tabla siguiente muestra las cifras de la producción mundial del mineral de cromo (cromita) reportadaen miles de toneladas métricas [15]:

Producción minera

2001 20020

India 1680 1900

Kazajstán 2050 2300

Sudáfrica 5500 5800

Otros países 2900 3000

Producción mundial (redondeada) 12100 13000

Tabla 3.1.- Producción mundial de cromita.

Los geólogos estiman que hay casi 11mil millones de toneladas de cromita en el mundo que podríanextraerse. Muchas de esas fuentes se encuentran en Sudáfrica.

El principal consumidor de cromo es Estados Unidos de Norteamérica. Su consumo es equivalente a casi14% de toda la producción anual del mineral.

7

A continuación se muestran indicadores económicos relacionados con este consumidor .

Estadísticas sobresalientes: Estados Unidos1. 1998 1999 2000 2001 20020

Producción 104 118 139 122 153Importaciones para consumo 385 476 453 239 174Exportaciones 62 60 86 38 10Emisiones de reservas del gobierno. 93 19 85 9 87Consumo:Reportado2 277 298 206 196 212Aparente3 531 558 589 332 413Precio de la cromita al final del año:Sudáfrica, dólares por ton. Métrica 68 63 63 NA NATurquía, dólares por ton. Métrica. 145 145 145 NA NAValor unitario, importe promedio anual

(dólares por ton. Métrica.):Mineral de cromita (peso bruto) 74 62 64 61 50Ferrocromo (contenido de cromo) 1027 732 797 709 610Cromo metálico (peso bruto) 7569 6267 5976 6116 5820Reservas, industria al final de año4. 56 54 16 17 8Importe neto de confianza5 como un porcentaje

del consumo aparente80 79 67 61 63

Tabla 3.2.- Información económica del consumo de cromo en Estados Unidos [2].

El cromo en México.

Se estima que a nivel nacional, la industria de acabado de metales genera una carga contaminante dequímicos tóxicos que asciende a 88,796 toneladas por año.

Con base en el balance de la generación de contaminantes químicos tóxicos planteado, la generación deresiduos peligrosos es la que representa un mayor impacto al ambiente. Sin embargo, se estima que almenos el 50% de los residuos peligrosos que se generan en la industria de acabado de metales, seincorporan indebidamente a las descargas de las aguas residuales de los establecimientos. Considerandoesta práctica, la carga de contaminantes químicos tóxicos estimada en 88,796 toneladas por año, sedistribuye de la siguiente manera: el 37.11% se descarga al agua, el 26.73% se emite a la atmósfera, el0.13% se deposita en el suelo y el 36.04% a residuos peligrosos.

El costo de los contaminantes emitidos por la industria de acabado de metales asciendeaproximadamente a 1,147 millones de pesos (120’697,000 dólares con una paridad de 9.5 pesos / dólar). Elcosto de los contaminantes emitidos por la industria de acabado de metales equivale al 0.10% del ValorAgregado Bruto Total Nacional (1'131,958 millones de pesos de 1995, en valores básicos a precios de 1993).

0Estimada. NA no disponible. Cero.

1Datos en miles de toneladas métricas de contenido de cromo, a menos que se indique lo contrario.

2El año de 1988 incluye mineral de cromita. De 1999 a 2002 se excluye la cromita.

3Demanda calculada para el cromo es la producción + importaciones exportaciones + ajuste de reservas.

4Incluye reservas de productor y consumidor antes del 2000, reservas del consumidor después de 1999.

8

Del análisis anterior se puede concluir que el sector de la industria de acabado de metales, a precios de1996, pierde aproximadamente 1,147 millones de pesos anuales por la emisión y descarga de compuestosquímicos contaminantes al agua, aire y suelo, lo cual equivale al 1.34% del valor de la producción neta delsector en 1993.

Por otra parte, con base en los reportes de la calidad de las aguas residuales de las descargas de 400empresas ubicadas en el Distrito Federal, se determinó la calidad promedio de las aguas residuales de laindustria de acabado de metales, en función de los parámetros contaminantes típicos establecidos para elsector, la cual se presenta en la Tabla 3.

Asimismo, se estimó el caudal de aguas residuales que genera el sector a partir del consumo promediopor tamaño de empresa reportado por el Consejo Metálico de la Sección 72 “Galvanoplastia” de laCANACINTRA. Para la estimación anterior consideró que el caudal se descarga durante las 24 horas deldía, obteniéndose que el sector genera un caudal de 183.889 litros por segundo.

Tabla 3.3.- Caudal de aguas residuales generado por la industria de acabado de metales [19].

A partir de la calidad promedio y el caudal global de aguas residuales, se estimó la carga contaminanteque el sector genera por el vertido de aguas residuales, en función de los parámetros contaminantes típicosregulados para ese tipo de descargas, el cual se presenta Tabla 3.4:

Como un ejemplo de la necesidad de las empresas para tratar sus efluentes tóxicos, se seleccionó unaempresa en particular.

Deco Rack, S.A. de C.V., es una empresa dedicada a la fabricación de muebles de estantería en madera ymetal para tiendas de auto servicio, cuyo proceso emplea 18 tinas de 1800 litros cada una, con excepción delas tinas uno y dos que tienen una capacidad de 2000 litros.

9

Volumen de aguas residuales.

V = 16.15 m3 /semana

Esta cantidad es variable, depende de la cantidad de la demanda del producto.

Tabla 3.4.- Carga contaminante que vierte al agua la industria de acabado de metales.

Estimación de contaminantes generados [20]

Concentración promedio de los contaminantes de interés presentes en el agua residual:

Cromo Total: 220 mg/LCromo Hexavalente: 202 mg/L

Cantidad susceptible a ser recuperada:

Cromo: 3.55 kg/semana

Precio comercial del kilogramo de cromo metálico electrolítico $118.00 (Cientodiez y ocho pesos 00/100 M.N.) [20]

Costo por manejo de residuos y tratamiento de aguas residuales

Costo por disposición de las aguas residuales:

Costo unitario (por litro): $ 0.80 (centavos 80/100 M.N.)Costo promedio semanal: $12,920.00 (pesos 00/100 M.N.)

Costo por tratamiento de aguas residuales:

Tratamiento por precipitación química: $ 6,000.00

Costo por disposición de lodos generados (base seca):

Costo unitario (por contenedor, cap. 200 L): $320.00 (pesos 00/100 M.N.)Generación promedio de los lodos residuales

10

Volumen de lodos en base húmeda: 463 [ml/L]

Costo semanal por disposición de los residuos sólidos generados: $3,590.00 (Tres mil quinientos noventapesos 00/100 M.N.

Costo anual del tratamiento (de forma global): $ 383,600.00 (Tres cientos ochenta y tres mil seis cientospesos 00/100 M.N.)

Margen Económico de un Proceso

Costo del tratamiento + Recuperación de Cromo = $ 383,600.00/año + ($ 118 KgCr)(170.4 KgCr/año) = $403,707.20 (Cuatrocientos tres mil setecientos siete pesos 20/100 M.N.)

Fuente: Deco Rack, S.A. de C.V.

4.- REVISION DE PROCESOS EXISTENTES Y SINTESIS PRELIMINAR .

Puesto que el objetivo de este proyecto es la remoción de metales pesados (en especial cromo) deefluentes industriales utilizando materiales de bajo costo, el empleo de adsorbentes naturales parece muyadecuado. De este modo los estudios a realizar se basarán en la utilización de biomasa.

No obstante existen otros tratamientos que existen para aguas residuales de cromo, de los cuales semencionan los siguientes [9]:

a) Precipitación como Hidróxido.

Este es el método estándar para la remoción de metales dañinos de los efluentes de la industria de losacabados metálicos. Se logra mediante el ajuste de pH del agua residual con un agente alcalino (sosa, cal ohidróxido de aluminio) a fin de precipitar el hidróxido metálico. Este procedimiento a veces necesita un pre-tratamiento antes de la precipitación metálica tal como la oxidación de cianuro o la reducción del cromo (VI)para tratar con las sustancias que interfieren en la precipitación. El uso de agentes de nucleación fomentanel desempeño del procedimiento de limpieza de las aguas residuales. Estos agentes pueden ser polímeroscatiónicos o metales co-precipitados como hierro que se agrega conforme la sal de sulfato da la co-precipitación con hidróxidos férricos. Un exceso de co – precipitación metálica puede influir en lacomplejación de los agentes precipitantes de modo que, aunque es la adición de estos agentes lo que hace laremoción mas efectiva, este procedimiento produce 4 veces mas lodos (debido a la complejación del agenteprecipitante) que el hidróxido metálico. Esto hace difícil o imposible la remoción del cromo.

b) Precipitación como sulfatos o carbonatos.

En estos métodos el principio es el mismo que en el anterior. Los metales se unen a una fase insoluble,por ejemplo como sulfatos, en el cual diferentes metales pueden mezclarse pero especialmente en el caso desulfatos la recuperación del metal es laboriosa.

Ventajas:

üLos agentes precipitantes son relativamente fáciles de obtener y transportar.üAlgunos agentes tienen capacidad amortiguadora (en le caso de carbonatos) y generan menos lodos.üSatisfacen la selectividad del cromo para su remoción.üTransfieren los iones de cromo de la fase acuosa a la fase sólida.

11

Desventajas:

üEl cromo (VI) requiere pre-tratamiento, por reducción, antes de usar la precipitación.üEn la industria de baño de chapado, por ejemplo, la precipitación debe de hacerse interrumpiendo la

producción mientras ésta se lleva a cabo.üProducen residuos sólidos (sedimentos) que contienen compuestos tóxicos.üConlleva a un aumento del pH de las aguas de desecho.üMuchas veces no es viable para reducir la concentración de cromo tanto como lo exige la legislación.

c) Uso de resinas de Intercambio iónico [13].

Entre los materiales con propiedades de intercambio iónico están las resinas intercambiadoras iónicascompuestas por polímeros orgánicos con grupos funcionales unidos, que se usan desde la década delcuarenta.

La aplicación de la sílice a la remoción de sustancias orgánicas y compuestos metálicos presentes endisoluciones acuosas, ha sido ampliamente utilizada. En concreto, se sabe que la sílice modificada conaminopropiltrietoxisilano y trimetoxisililpropiletilendiamino y tratada con una solución de Cu2+ es capaz deadsorber CO y etileno cuando es activada a 180 °C. Así mismo se ha estado investigando en la extraccióndel Cr3+ a partir de soluciones de sulfato de cromo y se han calculado los parámetros de capacidad de lamonocapa y constante de equilibrio a partir de la isoterma de Langmuir que sigue la quimisorción. Estatecnología está siendo aplicada a la depuración de aguas industriales procedentes del curtido de pieles, conresultados muy prometedores.

Otros grupos de investigación están estudiando la aplicación de zeolitas naturales (clinoptilolita) a laremoción de metales pesados haciendo uso de su carácter de tamiz molecular y de sus propiedades deintercambio, así como la influencia de los parámetros de solución sobre el intercambio como el pH avanzansobre modelos de los que extrajeron parámetros cinéticos y difusivos, para determinar la eficacia de lascolumnas.

Ventajas:

üCiertos polímeros granulares, presentan una cinética de adsorción rápida.üPresentan alta selectividad al cromo (VI) (utilizando geles poliméricos como adsorbentes).üFácil recuperación de cromo para su reutilización (para algunos materiales).

Desventajas:

üPara motivos de reutilización de cromo, es necesario añadir soluciones oxidantes en las etapas deregeneración lo cual incrementa el costo del proceso.üLa eficiencia de adsorción depende de las propiedades de las zeolitas (para el caso de los

intercambiadores inorgánicos).üCon zeolitas no se puede regenerar o recuperar el cromo ni reutilizar las zeolitas.üLa alta selectividad, recuperación, y rápida cinética se atribuyen al uso de polímeros que requieren

de muchas materias primas para su preparación.

d) Tratamiento con carbón activado.

Estos son materiales químicamente estables y se sabe que adsorben complejos metálicos de soluciones yasí podrían utilizarse para purificación en ciertos ambientes químicos para la remoción de complejosmetálicos, los cuales comúnmente se usan en baños de chapado. También, se han aplicado distintos tipos decarbón activo a la adsorción de cromo de soluciones con 5000 ppm a 50ºC alcanzando rendimientossuperiores al 99% tras un tiempo de contacto de 10 minutos.

12

Ventajas:

üEs eficiente en cuanto a la adsorción de complejos metálicos.

Desventajas:

üRequiere de ácidos como el nítrico y sulfúrico para activar el carbón.üEl comportamiento de la adsorción depende del la estructura del carbón así como de los métodos

para su activación.üNo es efectivo para el tratamiento de Cr (VI).

e) Reducción química.

Se ha propuesto también un método redox-adsorción, de cuatro etapas, para tratar los efluentes detenerías las que descargan alrededor de 8000 mg/L de cromo. La etapa 1 de este método comprende laoxidación de Cr (III) a Cr (VI) usando persulfato de sodio; el efluente líquido pasa luego a través de unaresina Amberlite de intercambio catiónico donde el Na+ del efluente es completamente removido (etapa 2).El Cr(VI), a la forma de Cr2O72- pasa inalterado a través de la resina, pero en la etapa 3 es reducido pormetanol a Cr+3 el cual es luego removido por una segunda resina de intercambio iónico en la etapa 4. En elefluente final aparecerían sulfato y formiato, aniones que ya existen en los licores de tenerías, por lo que nose requeriría de nuevos métodos de tratamiento de efluentes.

Ventajas:

üEn la recuperación se obtienen los compuestos aniónicos que se utilizan para posteriormenteregresarlos al proceso.

Desventajas:

üSolo son apropiados para soluciones concentradas de Cromo (III o VI).üEs económicamente inapropiado para su tratamiento en aguas residuales.

f) Bioadsorción.

Es un proceso en el cual, sólidos de origen natural se emplean para fijar metales pesados. Es un métodoalternativo prometedor para tratar efluentes industriales principalmente por su bajo costo y su altacapacidad para fijar metales. Sin embargo, existe la dificultad en la separación de las fases en la mayoríade los casos.

Investigaciones han mostrado que la inmovilización de biomasa en estado latente o muerto en matricesgranulares o polímeros aumenta su rendimiento y facilita su separación a partir de la solución. Sinembargo, se ha visto que la inmovilización reduce la capacidad de adsorción de la biomasa.

13

La siguiente tabla muestra algunos tipos de biomasa que se han investigado para la adsorción demetales.

Tipo de biomasa Capacidad de adsorción(meq/g)

Sargassum sp. 2 – 2.3Ascophyllum sp. 2 – 2.5Eclonia radiata 1.8 – 2.4

Rhizopus arrhizus 1.1Musgo 4.5 – 5.0

Resinas comerciales 0.35 – 5.0

Tabla 4.1.- Tipos de biomasa y resinas comerciales en su comparación de su capacidad de fijación de metales [12], [13]

En este proyecto se desea investigar un tipo especial de biomasa llamada Lemna giba, que por suscaracterísticas físicas no requiere inmovilización.

Esta biomasa pertenece a un familia de algas llamadas Lemnaceas [10] son las mas pequeñas y las massimples de las plantas con flores, pueden alcanzar 1.5 cm de diámetro. Estas plantas flotantes crecen enuna frazada en grupo en la superficie de lagos han recibido atención considerable, tienen la habilidad dereproducirse mediante clonación, pero los científicos se han enfocado en estas especies de Lemna por supotencial como agente biológico en el tratamiento de aguas residuales, y como un subproducto de eseproceso, su utilidad como alimento para otros organismos acuáticos [10].

La Lemna gibba crece rápidamente y es capaz de dar respuesta a nutrientes bajo un amplio rango decondiciones ambientales. Comparada con las demás plantas acuáticas es menos sensible a bajastemperaturas, altos niveles de nutrientes, fluctuaciones en pH, y enfermedades [14].

En general las Lemnaceas son capaces de absorber y en algunos casos desintegrar compuestos tóxicos.También se ha observado que tienen una absorbencia eficiente de metales pesados

5. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS.

Muchas tecnologías de tratamiento y remediación de cromo tales como adsorción en carbón activado yresinas de intercambio iónico son poco efectivas para el tratamiento en especial de Cromo (VI). [2].

Recientes investigaciones sobre la adsorción de cromo han empleado diferentes tipos de biomasa [3,4,5],donde diferentes autores reportan los valores mas altos experimentalmente observados para la respuestaespecífica de cromo. Cabe señalar que, en estas investigaciones, los autores reportan datos que a menudoson diferentes, debido a las condiciones de operación donde son llevados a cabo, incluso si se comparandirectamente.

Otros autores por ejemplo han investigado metodologías para la reducción de cromo hexavalente [1,2],para luego ser tratado como cromo (III) en la adsorción por biomasa. Las condiciones de operación con lasque se realizan los estudios de adsorción juegan un papel muy importante en el comportamiento de labiomasa, aunque se señala particularmente que la temperatura parece no influenciar el desempeñoadsortivo de la biomasa [6].

Sin embargo, diferentes estudios [7,8] han demostrado que el pH parece ser el factor más importante enel proceso de biosorción, debido a que este afecta la química de los iones metálicos en solución, la actividadde los grupos funcionales de la biomasa y la competencia entre los iones metálicos por los sitios activos [7].

14

Otro aspecto importante es el proceso de recuperación de cromo, lo cual involucra una etapa de despojo,donde la capacidad de desprender los iones de la biomasa una vez que está saturada de cromo, debetomarse en cuenta. La recuperación del metal adsorbido podría ser logrado mediante el uso de una soluciónapropiada que sea capaz de despojar efectivamente el cromo de la biomasa y traerla de regreso a la soluciónproduciendo una solución concentrada del cromo. Es deseable también que ocurra el menor daño posible enlas propiedades de adsorción de la biomasa de modo que se permita el reuso de ésta, en varios ciclossubsecuentes de adsorcion – desorción [9].

6. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.

Figura 6.1. – Esquema del proceso de la remoción y recuperación de cromo

Principalmente se utilizará como materia prima una biomasa llamada Lemna que, por suscaracterísticas particulares, no requiere inmovilización y no es necesario mantenerla viva para sudesempeño como adsorbente. A continuación se resume de modo general la descripción del proyecto el cualse muestra en el Figura 6.1.

Efluente limpio decromo.

Efluente con contenidode cromo 3 y 6.

Solución complejantepara regenerar la lemna

Celda deelectrodepositación de

cromo.

Tanque de desorción decromo

Solución complejantecon iones de cromo

ETAPA DE ADSORCION ETAPA DE DESORCION

15

Etapa de adsorción - El efluente industrial, conteniendo los iones de cromo (III y VI), cuyo caudal ycontenido de cromo depende del tipo de industria, pasa por una serie de tanques agitados continuos conmaterial adsorbente (lemna) para la adsorción de iones de cromo. Sale un agua prácticamente libre decromo.

Etapa de desorción y regeneración de la lemna - Para la concentración y recuperación de los iones decromo como cromo metálico. Se pasa una solución complejante por la lemna impregnada para el despojo delos iones de cromo..

Etapa de electrodepositación de cromo.- Una vez obtenida la solución concentrada de cromo, esta se pasaa una celda electrolítica donde se le aplica cierta cantidad de corriente eléctrica y así ser reducida a cromometálico.

7. METODOLOGÍA A SEGUIR.

Adsorción.

El desempeño de la biomasa utilizada para llevar a cabo la adsorción de Cromo, se estudió, a fin deconocer, a grandes rasgos la cantidad máxima de cromo que puede adsorber la Lemna a temperaturaambiente y diferentes valores del pH del agua. En otras palabras es importante saber las condiciones quepermitan un desempeño máximo de adsorción. No obstante lo anterior, hay que tener en cuenta que ciertascondiciones de adsorción dejarían este proyecto económicamente inconveniente por ejemplo, debido a unanecesaria elevación de temperatura, o el gasto en materia prima para el incremento o disminución del pH.

Despojo – Concentración.

Una vez adsorbido el cromo en la biomasa, será necesario poner en marcha un proceso de regeneración odespojo y concentración de iones de cromo en solución. Entonces, una buena regeneración de la lemnadependerá de la solución de despojo, o bien de la solución que acompleje los iones para desorberlos y asíregenerar la lemna para un nuevo ciclo de adsorción. Es importante saber que tipo de solución despojará losiones mediante su complejación, así como las condiciones donde es factible este despojo.

Electrodeposición de Cromo.

La ultima etapa del proceso, considerada muy importante, puesto que de la eficiencia de deposiciónmetálica que se obtenga, dependerá el beneficio adicional de recuperación de un producto de valor agregado,como por ejemplo, el cromo metálico utilizado en el cromado de piezas para automóviles. Entonces, seráimportante conocer la concentración necesaria para maximizar la deposición, ajustándose a las condicionesde los procesos precedentes.

Así, se describe a continuación el procedimiento llevado a cabo en los reactivos experimentales usados, afin de lograr los objetivos anteriores:

La biomasa, Lemna Gibba, ó mas popularmente conocida como “amoyo” fue cosechada de los Canales deXochimilco, lavado con agua y secada al sol durante tres días. En esta forma ya estaba lista para serempleada en los experimentos.

Se prepararon las soluciones de cromo (III) y cromo(VI) a partir de las siguientes sales de gradoreactivo: Cr(NO3)3 y K2CrO4, de acuerdo con la concentración requerida de 10 a 100 ppm. Es importanteseñalar que ambas soluciones de 100 ppm tuvieron un pH natural de aproximadamente 5.5. Se ajustó el pHde las soluciones con 1M de ácido nítrico. Se realizaron experimentos para determinar la capacidadadsortiva a equilibrio (24 horas con agitación) a diferentes valores de pH y concentración inicial de cromopara ambos estados de oxidación.

16

Para los experimentos posteriores de despojo, se separó la biomasa de la solución de cromocorrespondiente y la contactaron con una solución fresca de EDTA (0.01M ó 0.1M).

En todos los casos, se realizaron las determinaciones de concentración de cromo (III) ó (VI) utilizandoun espectrómetro de Absorción Atómica marca Varian modelo SpectrAA 20.

8.- RESULTADOS EXPERIMENTALES

Los resultados obtenidos están clasificados de cuatro maneras: los relacionados al equilibriotermodinámico o bien las pHisotermas de adsorción de cromo, los relacionados a la velocidad de adsorciónde cromo (cinética de adsorción), los relacionados al despojo – concentración de cromo y por último losrelacionados a la electro reducción de cromo. Estos resultados serán necesarios para el diseño del equipo autilizar, como se mostrará en las secciones siguientes.

*Equilibrio de adsorción. (pH isotermas)

El estudio del equilibro del adsorbato (Cromo) con la biomasa, es uno de los aspectos necesarios y quizáel rasgo más importante para el buen desempeño del equipo de tratamiento de aguas con cromo.

Los resultados reflejan la capacidad adsortiva de la lemna en función de la concentración en equilibrio yel pH principalmente.

Adsorción de cromo a diferente pH.

Adsorción de Cromo a diferente pH.

25

35

45

55

65

1 2 3 4 5pH

Con

c. d

e cr

omo

adso

rbid

a.(p

pm)

Cromo (VI) Cromo (III)

Figura 8.1. Adsorción de Cr(III) y Cr(VI) a diferentes valores de pH final. Experimentos realizados con 0.5 gramos de Lemna en 25 ml.Solución inicial; 100 ppm de Cromo (III) ó (VI).

Se puede notar de la figura 8.1 que, mientras la adsorción de cromo (III) aumenta con el pH de lasolución, en el caso de cromo (VI), esta tendencia no está marcada. El fenómeno anterior se atribuye a lanaturaleza de las diferentes formas iónica: el cromo (III) es un catión que compite con el ion hidronio paralos sitios activos (electrostáticos) en la lemna y el cromo (VI) se encuentra como anion que más bien seadhiere a la superficie por una interacción de tipo química. Como apreciación de la figura anterior, existeuna mayor adsorción de cromo total a valores de pH cercano al pH natural de la solución, donde se adsorbeaproximadamente 40% del cromo (VI) y 65% del cromo (III).

17

Adsorción de cromo a diferente concentración inicial y pH diferente (solo Cr(III)).

Una vez conocido el pH óptimo para la adsorción de Cromo, es necesario experimentar adsorción adiferentes concentraciones de cromo, a pH natural. Es decir 10, 25, 50 y 100 ppm. con 1 gramo de Lemna en50 ml. de solución. De modo que se obtenga una representación experimental para la isoterma de adsorción.

La siguiente figura muestra el desempeño de la Lemna para adsorber cromo a pH natural y temperaturaambiente:

Isotermas de adsorción de cromo

0

1

2

3

4

0 20 40 60Concentración de equilibrio (ppm)

q (m

g Cr

/g L

emna

)

Cromo (III) Cromo (VI)

Figura 8.2. – Isotermas de adsorción a temperatura ambiente (25°C) y pH natural reportados como q (mg Cr ads./gramo de lemna)y concentración en equilibrio de cromo (ppm).

Una vez conocido el pH óptimo para la adsorción de cromo, es necesario investigar la adsorción adiferentes concentraciones de cromo, a pH natural. En la Figura 8.2, se realiza una comparación entre lascapacidades de adsorción de los dos estados de cromo.

Se observar que comparativamente el cromo se adsorbe mucho más cuando está en su estado deoxidación (III), probablemente debido a que se encuentra como un cation y, por eso, se está interactuandocon los sitios activos electrostáticamente. Dado que se observó una mayor adsorción de cromo (III) que decromo (VI), es posible que sea conveniente un equipo auxiliar de reducción de cromo (VI) a (III) antes deentrar a la etapa de adsorción, para trabajar no con una mezcla, sino como cromo en un solo estado deoxidación

Un aspecto significativo que se debe comentar con respecto al comportamiento de la adsorción es quelas iso-pHítermas no tienen la típica forma de las isotermas de Langmuir. Es más, la linealización de losdatos utilizando el modelo de Langmuir (C*/q vs C*, no mostrado), no dio una línea recta. Eso podríasignificar que los sitios de adsorción no son del mismo tipo ó que el cromo (III) se adsorbe en multicapas(física y no químicamente). La forma de los iso-pHítermas sugiere que la adsorción de cromo no seráeficiente a bajas concentraciones, como las típicas que se encuentran en los efluentes.

18

Además de lo anterior, se llevaron a cabo experimentos para la adsorción de cromo (III) y su respuesta acambios de pH, es decir, se obtuvieron isotermas para tres distintos pH, los resultados muestran que espreferible trabajar a pH natural, puesto que la adsorción se favorece en esas condiciones.

Isotermas de adsorción de Cromo (III) a diferente pH.

01234

5 15 25 35 45 55Concentración de equilibrio (ppm)

q (m

g C

r(II

I)/g

Lem

na)

pH = 3 pH = 4 pH = 5

Figura 8.3.- Influencia de pH en el desempeño de adsorción de cromo (III) utilizando 50 ml de solución por gramo de Lemna.

En la Figura 8.3 se grafica la cantidad adsorbida de cromo (III) en función de concentración a equilibriopara diferentes valores de pH final (ajustado con ácido). Se puede concluir que el efecto de pH en laadsorción de cromo, no tiene una influencia apreciable en el desempeño de la Lemna a bajasconcentraciones iniciales de cromo (III), sin embargo en la medida que se incrementa la concentración, elefecto del pH se vuelve importante.

*Cinética de adsorción de cromo.

Para Cr (VI) y Cr (III).

Se llevaron a cabo estudios para saber qué tan rápido se adsorbe el cromo en la biomasa. Losexperimentos realizados por lotes, muestran que no existe influencia notable de la cantidad de lemnautilizada (aunque esto si influye en la cantidad de cromo adsorbida) en la velocidad de adsorción, aún paralos 2 diferentes estados de oxidación de cromo, donde se encuentra que para ambos casos el tiemporequerido para llegar al equilibrio es de aproximadamente 20 min. Este dato se utilizará posteriormentepara fijar el tiempo de residencia en los adsorbedores.

Cinética de adsorción de Cromo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30

Tiempo (min)

C / C

o.

Cromo (III) Cromo (VI)

Figura 8.5.- Perfiles de concentración en el tiempo. En ambas corridas se utilizó una velocidad de agitación de 300 rpm con el finde eliminar los posibles efectos de transferencia de masa.

19

Además se utilizó diferente concentración inicial Co, (Co = 25 ppm. para Cromo (VI) y Co = 100 ppm.para Cromo (III)). Con diferente cantidad de lemna en un recipiente Batch de 1 litro para ambos casos1.

*Desorción de Cromo III y Cromo VI a 2 diferentes PH.

Se prepararon 50 ml. de una solución de EDTA 0.1 M, y a esta solución se la añadió un gramo de Lemnaa la que previamente se le aplicó un tratamiento de adsorción de 100 ppm de Cromo. Los siguientesresultados muestran la concentración final de cromo en la solución de EDTA después de 24 horas a dosdiferentes pH, natural (aproximadamente de 5.5) y a pH 11.

Es necesario indicar que a condiciones de pH natural, la Lemna adsorbió previamente a estetratamiento: 34 ppm. de la solución inicial de 100 ppm. de cromo(VI) y 58 ppm. de la solución inicial de 100ppm. de cromo(III).

Cromo VI:

Tabla 8.1 - a. Desorción de cromo (VI) a partir de un previo tratamiento de adsorción, donde se muestra el porcentaje de desorción.Aquí se utilizaron 50 ml. de EDTA por gramo de lemna.

Cromo III:

Tabla 8.2 – b Desorción de cromo (III) en las mismas condiciones anteriores.

Las tablas anteriores indica que el EDTA es un excelente complejante para el despojo de Cromo (VI),pero no lo es tanto para Cromo(III).

1 Ambos experimentos fueron llevados a cabo a pH = 5.5 (natural).

97 %11

100 %Natural

PPoorrcceennttaajjee ddee ddeessoorrcciióónn ddee CCrr ((VVII))ppHH

32 %11

46 %Natural

PPoorrcceennttaajjee ddee ddeessoorrcciióónn ddee CCrr ((IIIIII))ppHH

20

*Concentración de soluciones de Cromo III y Cromo VI.

Con el propósito de incrementar la concentración de cromo en la solución despojante para facilitar unaposible recuperación posterior, se probaron tres cantidades diferentes de Lemna, previamente tratada conel procedimiento de adsorción de 100 ppm de cromo, manteniendo constante la cantidad de solucióncomplejante. Los resultados se reportan en la Tabla 8.3.

Gramos deLemna

Concentración enCromo en solución, ppm

% deConcentración

% de Despojo

Cr (VI)0.5 34 100 1001 58 170 852 95 279 70

Cr (III)0.5 27 46 461 40 69 352 84 145 36

Tabla 8.3 – Desorción de cromo (VI) y (III) en soluciones de 0.1 M EDTA. Se incrementó la cantidad de biomasa, manteniendo elvolumen de la solución complejante constante (25 ml) a pH natural

Es evidente en la tabla que aunque se logra concentrar la solución despojante con cromo (III) ó (VI)cuando se emplean cantidades mayores de Lemna, el porcentaje de despojo es cada vez menor. Este hechoes consistente con las isotermas de desorción y comprueba la reversibilidad de la adsorción de cromo enLemna.

*Electro reducción de Cromo III y Cromo VI.

Se probaron electrodos de diferentes materiales como fueron, carbón vítreo, plomo, cobre, zinc, y platino,para la reducción de cromo y el único que muestra ser efectivo para la reducción del cromo (III), es elelectrodo de platino.

Los resultados de electroreducción de cromo, se muestran en una curva llamada voltamperograma, quees el resultado de graficar la respuesta a la aplicación de una rampa de voltaje y su correspondiente efectoen la intensidad de corriente. Estos diagramas vislumbran la posibilidad de reducir el cromo.

Figura 8.6. – Voltamperograma para la electroreducción de cromo (III) con soluciones de EDTA 0.01 M para la etapa deelectrodeposición, utilizando, un electrodo de platino, a temperatura ambiente.

-200

-150

-100

-50

0

50

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200

E (mV)

I (m

A)

Edta solo Edta/Cr 3+ 200 ppm.

21

En la figura 8.6 se puede notar que hay una reducción en el sistema de cromo, no obstante no se observoningún cambio de color en la solución de cromo (III) (azul), lo que llevaría a pensar que lo que se estareduciendo es el medio y no el cromo.

Además el uso de un electrodo como platino hace que el proceso parezca no ser rentable debido al altocosto de este material.

9.- PROBLEMAS ASOCIADOS CON LAS ETAPAS Y SU IMPOSIBILIDAD PARA SER INCORPORADASAL PROCESO.

Los resultados experimentales indican que desafortunadamente no es posible implementar todas lasetapas que se pretendían en primera instancia. Las principales causas fueron las siguientes:

Adsorción.

Es claro que una adsorción en mezcla tendría mas complicaciones en cuanto a la cuantificación decantidad de cromo adsorbida, debido a la presencia de los dos cromos en sus dos estados de oxidacióndiferentes. Además, se pueden mencionar algunas razones del porqué no llevar a cabo la adsorción encamas empacadas, como son las grandes caídas de presión o la gran cantidad de lemna utilizada en lascamas.

Regeneración.

El EDTA resultó ser un excelente complejante para el despojo de cromo (VI) aunque no tanto para cromo(III), sin embargo, esto requiere de soluciones concentradas de esta solución. A pesar de que el despojo sefavorece para cromo (VI), la adsorción no es muy favorable en este estado de oxidación.

Electro reducción de cromo (VI) a cromo (III).

No es posible instalar un aparato de reducción a la entrada del proceso de adsorción, ya que ni siquierase obtiene una reducción eficiente de cromo(VI). Además se experimentaron problemas debido a queaparentemente se estaba observando la reducción de cobre (electrodo utilizado) en vez de cromo (III).

Electro reducción de cromo (III) a cromo (0).

El principal problema de obtener cromo metálico, es que se requieren soluciones con baja concentraciónde EDTA para una reducción eficiente de cromo (III). Esto implicaría que se obtendría una desorción muypobre en la etapa de regeneración de la lemna.

10.- PROPUESTA MODIFICADA.

En los apartados anteriores se señalaron los aspectos que imposibilitaron llevar a cabo el procesoinicialmente propuesto. Sin embargo, todavía puede modificarse el proceso, cumpliéndose el objetivoprincipal: limpiar los efluentes que tengan contenido de cromo con la utilización de biomasa permitiendoque el proceso sea económicamente viable y relativamente menos contaminante que los procesostradicionalmente utilizados.

El nuevo proceso consiste en los siguientes pasos:

1.- Almacenamiento del efluente para su posterior repartición a los diversos tanques de adsorción.

22

2.- Adsorción en tanques de mezclado que, dependiendo del volumen a tratar, serán por lotes ocontinuos.

3.- Confinamiento de la lemna una vez saturada con la utilización de cemento.

*Adsorción en tanques de mezclado.

La utilización de la lemna en camas empacadas sería uno de los implementos mas útiles donde sepodría utilizar tiempos largos para regeneración de la lemna una vez que se sature. No obstante, se puedenenumerar algunos aspectos que no hacen apropiado su uso en camas empacadas.

1.- La baja densidad de la lemna llevaría a utilizar grandes volúmenes de empaque y con ello columnasde gran longitud.

2.- Al no inmovilizar la lemna, la fracción de espacios huecos resulta ser muy pequeño, lo que implicaríagrandes caídas de presión y el uso de potentes bombas para hacer que la solución fluya.

3.- El descargue y confinamiento que se llevarían a cabo serían relativamente más difíciles debido a lautilización de grandes columnas de adsorción.

4.- Un análisis de las isotermas de adsorción mostraría que a más bajas concentraciones iniciales decromo disminuye la capacidad adsortiva de la lemna, esto nos lleva a pensar que al dividir las columnas(proceso en etapas) se requeriría demasiada cantidad de lemna.

Lo anterior indica que sería preferible manejar 2 tipos de configuración de adsorbedores para el proceso:

1.- Tanque agitado por lote para cierta carga del efluente y cierta concentración de cromo.

2.- Tanque agitado continuo, para el manejo de un caudal continuo más grande que el anterior.

11. ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL PROCESO DE ADSORCIÓN.

A pesar de no implementar las etapas propuestas inicialmente como la reducción de cromo, o laregeneración con EDTA, se puede sin embargo, hacer un análisis más amplio para el tratamiento de aguascon cromo, siempre y cuando se tengan disponibles las isotermas de adsorción para diferentes condicionescomo pH o diferente proporción Cr III : Cr VI.

Esto implica, crear un tipo de consultoría que permita al cliente (proveedor del efluente a tratar) conocerel costo del proceso para un tratamiento de su efluente con características variables como son la proporciónCr III: Cr VI, pH y volumen de descarga.

Es claro que un proceso de adsorción con lemna que utilice cierto efluente con pH bajo (donde se favorecemenos la adsorción) costaría más debido a la mayor cantidad de lemna usada, comparada con un procesodonde se trabaje a pH natural.

Habiendo hecho lo anterior, es posible estimar el costo del proceso en función de la cantidad de lemna,volumen de los tanques etc, para cada empresa dispuesta a pagar por remover el cromo de sus efluentes.

A continuación se muestran dos casos diferentes que serían apropiados para tratar efluentes de cromocon biomasa. El primero es un sistema continuo destinado a tratar efluentes con cierto flujo volumétrico (F> 4000 L / día) y el segundo, un sistema por lotes para efluentes con flujos más lentos (F < 4000 L / día).

Volumen: 4000 L / día

Sistema por lotes Sistema continuo.

23

- Análisis del sistema continúo.

En la siguiente figura se muestra el sistema continuo de N – etapas que se utilizaría en el caso de unflujo F > 4000 L / día.

Para el calculo del número de etapas teóricas necesarias para cada sistema (continuo y por lotes) seutilizará un análisis de Mc Cabe Thiele. Dado que el sistema de adsorción de cromo cumple con lasconsideraciones de las que se vale este método [3],[17].

T n

T1 T2

T5 T3

F

C1 C2

Cn

C5

Co

Efluente con cromo

C n-1

C 3

Figura 11.1. Sistema de tanques agitados continuos tratando un efluente de 150 Litros/min de cromo (III).

Para entender el fenómeno de adsorción que tiene lugar en tanques de adsorción en este sistema, esnecesario plantear y desarrollar los balances de masa para el cromo que esta siendo adsorbido.

C0

C1

X

V

El balance de masa para el cromo es el siguiente:

Flujo de cromo a la entrada – Flujo de cromo a la salida - Tasa de adsorción de cromo = Tasa deacumulación de cromo.

O bien:

dtdCVX

dtdqFCFC =−−0 . . . . . . . . . . . . (11.1)

Al dividir la ec. 11.1 sobre V y al definir:VXm =

24

dtdCm

dtdqCC

VF

=−− *)( 0 . . . . . . . . . . . . (11.2)

Obsérvese que el tiempo de residencia se puede expresar como:VF

=τ y que además se puede expresar el

término de tasa de adsorción como:

mdtdC

dCdqm

dtdq *** = . . .. . . . . . . . .. . (11.3)

Entonces la ec 11.2 quedaría:

dtdCm

dtdC

dCdqCC =−− **)( 0τ . . . . . . . . . . . . (11.4)

Al dejar todo en términos dedtdC

:

0 1 1

1

( )

( 1)

C C dCdq dtmdC

τ

−=

+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (11.5)

Es así como se obtiene un conjunto de ecuaciones diferenciales acopladas con diferentes condicionesiniciales, las cuales son las siguientes:

0 1 1

1

( )

( 1)

C C dCdq dtmdC

τ

−=

+

001 == tC ................................ (11.6)

1 2 2

2

( )

( 1)

C C dCdq dtm

dCτ

−=

+

τ== tC 02 ............................................ (11.7)

2 3 3

3

( )

( 1)

C C dCdq dtmdC

τ

−=

+

τ*203 == tC ....................................... (11.8)

dtdC

mdCdq

CC n

n

nn =+

−−

)1(

)( 1

τ

τ*)1(0 −== ntC n .................................... (11.9)

Donde:

[ ]0mg CrC

L=

Es la concentración inicial de cromo del efluente a tratar.

[ ]1mg CrC

L= Es la concentración del efluente a la salida de T1. Está en equilibrio con la cantidad de cromo

adsorbida.

25

[ ]2mg CrC

L=

Es la concentración del efluente a la salida de T2. Está en equilibrio con la cantidad de cromo

adsorbida.

[ ]3mg CrC

L=

Es la concentración del efluente a la salida de T3. Está en equilibrio con la cantidad de cromo

adsorbida.

LCrmgCn ][=

Es la concentración del efluente a la salida de TN. Es la concentración que se requiere obtener

[ ]X g Lemna= Es la cantidad de biosorbente requerido para disminuir la concentración de cromo.

[ ] mg Crqg Lemna

= Es la capacidad de la lemna para adsorber cromo medida por gramo de lemna. Es necesario

señalar que es una función de la concentración adsorbida, según las isotermas de adsorción.

[ ]V Litros= Es el volumen de cada tanque.

[ ] g LemnamL

= Es un parámetro definido como: XV

que estará fijo al resolver el conjunto de ecuaciones.

.min][ LitrosF = Es el flujo volumétrico de efluente a tratar.

[ ] min=τ Es el tiempo de residencia definido como: VF

Es necesario notar que para resolver las ecuaciones (1) a (4) se requiere conocer dqdC

, m, τ.

Determinación de dqdC

La cantidad se obtiene a partir de un ajuste de los datos experimentales2 a una función analítica quecorrelacione q en función de C. Y posteriormente se toma la derivada de esta función.

Es importante señalar que el modelo matemático que determinará el tiempo de cambio de la lemnasaturada dependerá demasiado de que tan buena sea la correlación ( )q f C= así como de los datosexperimentales.

Determinación de m.

El parámetro m, da una idea de la cantidad necesaria de lemna a utilizar en los tanques, la cual senecesita que su volumen ocupe un 30% en el tanque, o sea:

0.3Tanque

ocupadolemna

Tanque

X

V

VV ρ

= = .............................................. (11.10)

donde: ρ es la densidad aparente de la lemna ~ 0.1 kg/L

Definiendo: 0.3Tanque

Xm

Vρ= =

La cual es una cantidad fija.Hay que notar que la solución de las ecuaciones (11.6) a (11.9) no depende de F.

2 Aquí se utilizan las isotermas de adsorción.

26

Determinación de τ.

Se sabe que el tiempo característico requerido para que la adsorción se lleve a cabo hasta el equilibrio[1] el debe ser mayor al tiempo en el que el sistema alcanza dicho equilibrio ∼ 20 min.

Este valor determinará el volumen de cada tanque, dependiendo del flujo del efluente a tratar.

Así, al resolver el conjunto de ecuaciones diferenciales, se obtendrían los perfiles de concentración en eltiempo y de esta manera se determinaría el tiempo en el que es necesario cambiar la lemna.

A fin de caracterizar un sistema de flujo a contracorriente es necesa5rio llevar a cabo el proceso de lasiguiente manera:

En un inicio, los cuatro tanques contemplados están funcionando normalmente hasta que se cumpla eltiempo de saturación en el tanque 1. Una vez que se llega a este tiempo, se debe cambiar la lemna saturadade este tanque.

Es entonces cuando el tanque 5 debe entrar en acción y recibir la carga del efluente de Cn , el cual seincrementa debido al repentino cambio de concentración a la entrada. Este efecto de cambio deconcentración en Cn se compensará, con el uso del tanque auxiliar 5 el cual descargará el efluente a laconcentración requerida.

Así, al transcurrir otro lapso de tiempo de saturación, será necesario cambiar el tanque 2 y en esemomento, el tanque 1 (con lemna fresca) asumirá el papel del tanque auxiliar.

Este proceso continuará repetitivamente con los demás tanques.

T4

T1 T2

T5 T3

F = 150 L/min

C1 C2

C3

C4 = 0.5 ppm

C5

C0 = 150 ppm.

Efluente con cromo

Equipo auxiliar en turno (permanece cerrado)

Flujo en curso hasta el punto de descargue.

Flujo que se está tratando.

T4

T1 T2

T5 T3

F = 150 L/min

C1 C2

C3

C4 = 0.5 ppm

C5

C0 = 150 ppm.

Efluente con cromo

Equipo auxiliar en turno (permanece cerrado)

Flujo en curso hasta el punto de descargue.

Flujo que se está tratando.

A) B)

Figura 11.2.- Funcionamiento de tanques agitados continuos. A) Antes de cumplirse el tiempo de saturación. B) después de estetiempo.

27

}- Análisis del sistema por lotes.

Para cargas de efluente que puedan llevarse a cabo en un sistema por lotes, se propone el siguientesistema. Aunque cabe señalar que se mantiene la configuración a contracorriente como el sistema anterior.

En otras palabras, el mecanismo para el cambio de la lemna saturada es el mismo que en los tanquescontinuos, implementando un adsorbedor auxiliar para cuando uno de los demás se sature. Lo único quecambia es la cantidad de efluente que se va a tratar.

Cn

C2

C1

Co

V

V

V

V max.

Cn

C2

C1

Co

V

V

V

V max.

Figura 11.3. Configuración de tanques de adsorción en Batch. En cada tanque la carga permanece de 25 a 35 minutos para que sellegue al equilibrio. Obsérvese que se guarda el mismo sistema de cambio de lemna saturada para simular la operación a

contracorriente.

El balance de masa para el cromo en los tanques de este sistema es el siguiente:

C0

Cf

X

V

Cantidad de cromo al inicio = Cantidad de cromo adsorbida + Cantidad de cromo en la solución final

VCXqVC f+= 10 . . . . . . . . . . . . . . (11.11)

Donde:

[ ]LCrmgC =0

Es la concentración inicial de cromo del efluente a tratar.

28

[ ]LCrmgC f = Es la concentración del efluente que se desea lograr. Está en equilibrio con la cantidad de

cromo adsorbida.

[ ] LemnagX = Es la cantidad de biosorbente requerido para disminuir la concentración de cromo.

[ ]Lemnag

Crmgq =1 Es la capacidad de la lemna para adsorber cromo medida por gramo de lemna. Es

necesario señalar que es una función de fC , según las isotermas de adsorción.

[ ] LitrosV = Es el volumen del tanque.

Al igual que en el otro caso se requiere que se cumpla otra condición importante: El volumen ocupadopor la lemna debe ocupar el 30% del volumen total del tanque o sea:

0.3Tanque

ocupadolemna

Tanque

X

V

VV ρ

= = .............................................. (11.12)

Por lo tanto la cantidad m ya está fija:

LLemnagm 303.0 == ρ

Mas adelante, se ilustrarán de manera más detallada los cálculos y todos los aspectos relacionados con elproceso de adsorción en alguno de estos dos sistemas para un caso particular de estudio.

*Confinación de la lemna una vez que esté saturada de cromo.

Una vez que la lemna se ha saturado de cromo, no existe hasta este momento, mas remedio queconfinarla como desecho tóxico con una mezcla de cal, agua y cemento.

Para llevar a cabo esto se ha implementado un sistema de confinamiento de lemna, que es el siguiente:

Lemna saturadaproveniente de

los adsorbedores.

Tanquerecibidor de

lemna.Ts.

Tanque para prepararla mezcla de cemento.

Tm.

Agua.

Cemento.

Cal

Tamborescontenedores al 70%

de capacidad

A rellenos sanitarios

Figura 11.4g.- Sistema de confinamiento de lemna.

29

Este proceso comienza al depositar la lemna proveniente de los adsorbedores hacia un tanque recibidorTs, que repartirá la lemna saturada a los tambores contenedores llenándolos al 75% de su capacidad conuna mezcla de cal, cemento y agua, la cual se prepara en el Tanque Tm, respetando cierta proporción:

Cal / Cemento / Agua. 15 : 15 : 5 (en peso)

Después cada contenedor se sella y es transportado a un relleno sanitario, donde se cubre con desechomunicipal.

El volumen Ts depende en gran parte de la cantidad de lemna que se deseche.

Cada tambor contenedor está fabricado de plástico y tiene un volumen de 25 Litros, para hacer máspráctico su transporte.

Dado que se tienen que llenar al 75%, tienen una capacidad de 18.7 L de Lemna / contenedor. Y si semultiplica por la densidad de la lemna húmeda ~ 1 kg Lemna / Litro:

contenedorLemnakg

LemnaLitroLemnakg

contenedorLemnaLitros

contenedordelCapacidad 7.18)1

(7.18

== . . . . . . (11.13)

Además el 25% restante de espacio del contenedor se rellena con la mezcla de cemento.

contenedorcementodeLitrosutilizadacementodeCantidad 25.6

= . . . . . . . .(11.14)

Entonces el número de contenedores estará determinado por la cantidad de lemna saturada Xs que se vaa confinar.

).7.18

(Lemnakg

contenedorXsescontenedordeNumeroN == . . . . .(11.15)

La cantidad de mezcla también está determinada por este último valor.

Ncontenedor

cementodeLitrosmezcladeCantidad *

25.6= . . . . . . . (11.16)

*Especificación y dimensionamiento del equipo a utilizar.

El proceso de tratamiento de aguas con cromo para el caso particular de la empresa Decorack, no es deescala muy grande, debido a la cantidad relativamente baja de flujo que se maneja semanalmente (16.15m3/ sem. ) y es necesario hacer notar que las ganancias percibidas de este proceso dependen directamentedel costo que se paga por este flujo de agua.

Esto ha conducido a considerar el uso de materiales del equipo a utilizar de bajo costo, pero que sean losuficientemente útiles para cumplir con la funcionalidad requerida.

Es así como los tanques de adsorción serán del material de construcción que utiliza Rotoplas®. Este tipode material plástico es resistente y no es muy caro. En el dimensionamiento de los tanques se debeconservar las proporciones de laboratorio para una escala más grande, por lo tanto los resultados delrecipiente que se utilizaron en la experimentación ayudarán a determinar las dimensiones de los tanques.

30

Las tuberías, bombas, agitadores, serán de cobre, puesto que una carga de agua con pH alto podríacorroer el material, en el caso de estar construidos de hierro.

12.- METODOLOGÍA ADOPTADA (Caso particular: Decorack.)

Enseguida se aplicará la metodología desarrollada en el apartado anterior para costear y escalar elproceso de adsorción de cromo al caso particular de estudio.

La empresa Decorack descarga diariamente un promedio de 2600 L de aguas con cromo diariamente.Esta cantidad sugiere el uso de un sistema por lotes para el tratamiento de cromo en esta empresa, dondela concentración es cromo total es de aproximadamente 200 ppm. con un porcentaje de cromo (VI)aproximado de 92% con un pH de aproximadamente 5.

En este caso particular se requiere bajar la concentración de cromo hasta 0.5 ppm.

Para encontrar el número de etapas requeridas para cumplir con esta concentración, se procede arealizar el balance de materia para el cromo, en las n - etapas, considerando un proceso a contracorriente.

T1 T2 Tn

Co

q1

X

q2

C1

q3

C2

q n

Cn

q n+1

Cn-1

X

VV

Figura 12.1.- Proceso por lotes a contracorriente.

Dicho balance es el siguiente:VCXqXqVC nn +=+ + 110 . . . . . . . .. (12.1)

Dividiendo la ecuación (12.1) entre V, quedaría:

nn CmqmqC +=+ + 110 . . . . . . . . . . . (12.2)

Donde m es el parámetro definido por la ecuación 11.5.

También se cuenta con datos experimentales de adsorción de cromo (VI)3. Los cuales pueden ajustarse auna línea de equilibrio. Cabe señalar que tambien se reporta una gráfica para el numero de etapas para elcaso de cromo (III) puro. (Apéndice A2).

3 Debido al alto porcentaje (92%) de cromo(VI), puede considerarse esta especie como cromo total y trabajar con la isoterma para cromo(VI) puro.

31

Determinación de las etapas teoricas del proceso de biosorción.

0

50

100

150

200

0 2 4 6q (mg Cromo / g Lemna)

Con

c. E

q. C

rom

o (p

pm)

Datos de equilibrio Linea de operación. Linea de ajuste

Figura 12.2.- Gráfico para determinar el número de etapas requeridas.

La figura 12.2 muestra, las líneas de operación y equilibrio, donde se aprecia que para Co = 200 ppm, yCn = 0.5 ppm. y q n+1= 0 se requieren aproximadamente ocho etapas en un sistema a contracorriente.

Por lo tanto se utilizará un sistema por lotes con ocho tanques y uno auxiliar, además 2 tanques dealmacenamiento del efluente a tratar.

32

El proceso de adsorción se describe de la siguiente manera:

Tanque dealmacenamiento.

V = 2600 L

T1

Co

C1

C2

C3

C4 C5

C6

C7

C8

C9

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T9

T8

Co

Co

Co

Carga alimentadora

Equipo en su cursonormal.

Equipo auxiliar

Figura12.3.- Sistema de 9 tanques para el sistema de bioadsorción de cromo.

El flujo a tratar (2600 L /día) se transporta a un tanque almacenador de ese mismo volumen, dondeposteriormente es repartido a los tanques agitados en cuatro rondas. Es decir, en cada ronda se maneja unvolumen de 650 L y este valor determina el volumen de cada uno de los nueve tanques agitados.

Aquí, el primer tanque que recibió la concentración mas alta, es el que se satura primero, en la rondauno.

33

En la ronda dos, mediante un juego de válvulas, véase la figura 12.3 los siguientes 650 L provenientesdel tanque de almacenamiento, se alimentan al segundo tanque (que previamente había tratado ciertacantidad de cromo), y así sucesivamente hacen todo el recorrido por los tanques, lo que constituye la rondados.

En cada tanque, los 650 L deben permanecer 25 min. para alcanzar el equilibrio y pasar ese volumen deefluente (con menos cantidad de cromo) a los siguientes tanques y así sucesivamente en cada ronda.

Cabe señalar que en cada ronda se satura una misma cantidad de lemna que se calcula como:

.5.19)650(*)03.0(* LemnakgLLkgVmX ===

En la siguiente tabla se muestran todas las rondas que se llevan a cabo diariamente:

Ronda Volumen tratado por ronda (L)

Cantidad saturada de lemna(kg)

Tanque del que proviene lalemna

Tanque auxiliaren uso.

1 650 19.5 T1 T9

2 650 19.5 T2 T1

3 650 19.5 T3 T24 650 19.5 T4 T3

Cantidad de lemna a confinar al día(kg) = 78

Volumen tratado al día (L) = 2600

Tabla 12.1.- Número de rondas al día para tratar 2600 litros de efluente, utilizándose un total de 78 kg. diarios de lemna.

De esta manera, se procede a calcular las dimensiones de cada tanque.

Considerando el siguiente esquema:

Figura 12.4.- Tanque agitado que conserva las proporciones del recipiente usado en los experimentos.

Las dimensiones del recipiente en laboratorio son:

Dt* = 17 cm.H* = 25 cm.Da* = 5 cm.

Sabiendo que deben conservarse las mismas características del tanque utilizado en el laboratorio, sedefinen las razones de proporción que deben conservarse :

s = H*/Dt* = H/Dt = 1.47

I = Da*/Dt* = Da/Dt = 0.29

34

Donde las variables con asterisco son las del tanque donde se llevaron a cabo los experimentos.

Esto ayudará a calcular las dimensiones del tanque real (variables sin asterisco) que tratará un volumende 650 L que proviene de la repartición del tanque de almacenamiento de 2600 L.

Este volumen por lo tanto determina el diámetro. Considerando la proporción de escalamiento “s”, el

diámetro a utilizar será: .83.0**4

3 ms

VDt ==π

Y los demás parámetros son para este caso particular:

Da = 0.24 m.

H = 1.22 m.

Una vez determinadas las dimensiones del tanque real, se procede a calcular la potencia utilizada por elmotor agitador.

Siguiendo el análisis dimensional definiendo los números de Reynolds y Froude, utilizando los datos dela Fig. 20.28 [3], se determinó la potencia requerida: P = 0.25 hp.

También, entre cada tanque existe una bomba para transportar la cantidad de fluido de un tanque aotro, la potencia necesaria de esta bomba, se determinó mediante un análisis de la ecuación de Bernoulli,donde se estima como P = 0.05 hp. Este valor es muy pequeño, y a menudo no es posible encontrar en elmercado este tipo de bombas, no obstante se podría utilizar una bomba de P = 0.25 hp, como en el caso delos agitadores.

El siguiente paso ahora, es determinar la cantidad de contenedores utilizados al día en la etapa deconfinamiento donde se desechan 78 kg de lemna por día. Según las ecuaciones (11.8) y (11.9).

5)7.18

)(78( ≈==Lemnakg

contenedorLemnakgescontenedordeNumeroN

La cantidad de mezcla también está determinada por este último valor.

.25.315*25.6 Litrosescontenedorcontenedor

cementodeLitrosmezcladeCantidad ==

13.- COSTEO DEL PROCESO.

Para estimar la rentabilidad del proceso para el tratamiento de aguas de cromo con biomasa, se requiereel conocimiento de los costos asociados a los materiales a utilizar, equipo, mantenimiento. Estos se puedenclasificar como:

*Costos de inversión.

Estos constituyen la adquisición de todo el equipo, el gasto de instalación y todo lo relacionado a lainversión inicial.

*Costos de operación.

Aquí se incluyen los costos que se requieren para mantener funcionando la planta de tratamiento.

35

Adsorción.

En los costos de operación, se incluyen los costos la materia prima, en este caso la lemna, que tiene uncosto asociado que es de $200 por cada 100 kg. de lemna, este precio incluye el lavado, secado, y eltransporte 20 kilómetros del bioadsorbente.

En esta etapa debe tomarse en cuenta las horas de operación de los agitadores tanto como de las bombasa utilizar. Esto, afín de calcular los gastos por energía eléctrica, que se considera como $2.11 /kw.h.

En el caso de los agitadores, su tiempo de operación se estima de la manera siguiente.

Se van a utilizar ocho agitadores, por cada ronda, pero en cada uno cada agitador debe funcionar 25min(tiempo de residencia), como son cuatro rondas entonces el tiempo de operación de todos los agitadores es de13 horas.

Para el caso de las bombas, se estima de la siguiente forma:

Para transportar el efluente de un tanque a otro, este proceso dura 16 minutos, tomando enconsideración que en la tubería entre tanques tiene un diámetro de 0.04m y que circula dentro de estatubería de un flujo de 40 L / min. Dado que son ocho bombas operando 16 minutos por cuatro rondas, da untotal de aprox. 9 horas de operación.

Confinamiento.

Todos los costos relacionados con esta etapa se indican en la siguiente tabla.

PROCESO DE CONFINAMIENTO

Cantidad de lemna a confinar (kg) = 78Volumen del contenedor (L) = 25

densidad de la lemna Húmeda (kg lemna/Litro) = 1Capacidad del contenedor (kg lemna/contenedor) = 18.75

Cantidad de mezcla usada (Litros mezcla/contenedor) = 6.25Número de contenedores = 4.16

Cantidad de mezcla usada (L de mezcla) = 26.00densidad de mezcla (kg/L) = 2cantidad de mezcla (kg) = 52.0cantidad de agua (kg) = 33.8

cantidad de cemento (kg) = 7.8cantidad de cal (kg) = 7.8

costo de cal ($) = 14.04costo de cemento ($) = 12.48

costo de agua ($) = 0.2costo de contenedores ($) = 104.0

costo total de confinamiento ($) = 130.7

Tabla 13.1.- Costos asociados con la etapa de confinamiento al día con 78 kg. de lemna para confinar.

36

De esta forma se calculan todos los costos de operación y de inversión relativos al proceso de biosorción:

COSTOS DE OPERACIÓN. COSTOS DE INVERSION

Uso de la lemna. costo de tanques.Cantidad (kg) 78 5 tanques de 650 Litros. 3250

transporte (distancia en km). 20 2 tanques de 2600 Litros. 5200Costo $ pesos. 182 Costo $ pesos. 8450

Electricidad costo de agitadores.consumo en una bomba.(kw) 1 agitadores de 0.25 hp. 5consumo en un agitador. (kw) 1 Costo $ pesos. 18,750

horas de operación de bombas 4Horas de operación de agitadores 5 costo de bombas.

Costo $ pesos. 8 bombas de 0.25 hp. 5Costo $ pesos. 5000

Tambores de relleno.número de contenedores 4 costo de tuberías y accesorios.

Costo $ pesos. 150 tubería de cobre (m). 10Codos y válvulas.

Costos de confinamiento. Costo $ pesos. 1000Cantidad de lemna a confinar (kg) 78

Costo $ pesos. 131 Costo de adquisición total = 33,200mano de obra de instalación = 9960

Tranporte de desechos de lemna - cromo.Costo $ pesos. 39 Costo de inversión en pesos = 43160

Mano de obra y mantenimientoCosto $ pesos. 100

Costos de operación diarios ($ pesos) 428

Costos de operación anual ($ pesos)156218

Pago por tratamiento anual ($ pesos)383600

Porcentaje de ahorro (%) 59TIR4 3.94TIIE 6.2

Tabla 13.1. Costos asociados en el proceso de remoción de cromo (VI).

4 El calculo de esta TIR se reporta en el apéndice A1.

37

14.- CONCLUSIONES.

En el presente trabajo se puede concluir que este caso particular (en el caso de la empresa Decorack) detratamiento de aguas con cromo con lemna, no puede ser aplicado a un proceso de recuperación industrial,debido a su poca rentabilidad. No obstante esto podría llevarse a cabo con requerimientos no muy estrictosde concentración final, de modo que se obtengan menores etapas y así un proceso rentable a largo plazo.

El enfoque de este trabajo, está en desarrollar una metodología para el escalamiento, costeo y diseño deun proceso de recuperación de aguas con metales. Se ha visto en este trabajo que las isotermas y eldesempeño de adsorción de la biomasa son los aspectos más importantes en el desarrollo de un proceso deeste tipo.

Es así como se abre paso a la investigación de tratamiento de aguas para diferentes metales e incluso enmezclas. Donde esta metodología mostrada, podría aplicarse con tal de tener datos experimentales deadsorción multimetálica y su influencia de pH principalmente.

Es evidente que cada paso de esta investigación se tienen que investigar los aspectos que influyan en elsistema para tratar de mejorar su funcionamiento.

A pesar de que el proceso adoptado al final en este estudio consideraba un sistema de confinamiento, esnecesario hacer énfasis que se deben investigar formas de regeneración de biomasa a fin de evitar un efectoagresivo contra el medio ambiente.

La biosorción es un sistema de recuperación de metales donde se utilizan materias primas baratas, yesto conduce a pensar en implementarla como una tecnología alternativa, donde siempre llevará la ventajafrente a otras técnicas de tratamiento de aguas.

15.- BIBLIOGRAFIA.

1.- F.Pagnanelli, F. Beolchini, A. Esposito, L. Toro, F. Veglio. Mechanistic modeling of heavy metalbiosorption in batch an membrane reactor systems. Hidrometallurgy 71 (2003) 201 –208.

2.- Pal, Nirupam. 1996. Reduction of Hexavalent Chromium to Trivalent Chromium by PhanerochaeteChrysosporium. Battelle International Symposium.

3.- C.J Geankoplis, “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias” 3a Edición; Ed. CECSA; México 1998;pag. 791-800.

4.- Aksu, Z., Sag. Y. and Kutsai, T., The biosorption of copper by C. vulgaris and z. ramigera. Environ.Technol., 13 (1992): 579 –586.

5.- Friis, N. and Myers – Keith, P., Biosorption de uranium and lead by Streptomyces longwoodensis.Biotechnol. Bioeng., 28 (1996) 21-28.

6.- Galun, M., et al., Removal of metal ions from aqueous solutions by Penicillium biomass: Kinetic anduptake parameters. Water Air Soil Pollution, 33 (1987): 359-371.

7.- R. H. Perry & C. H. Chilton, “Chemical Engineers´ Handbook” Fifth Edition. Section 21, Ed. McGraw-Hill; U.S.A 1973.

8.- James E. Huheey. “Química Inorgánica” Segunda Edición; Ed. Harla, México, 1981,

9.- Aksu, Z., et al., Investigation of biosorption of Cu (II), Ni (II) an Cr (VI) ions to activated sludge bacteria.Environ. Technology, 12 (1991); 915 – 921.

38

10.- Tsezos, M., Recovery of uranium from biological adsorbents – desorption equilibrium, Biotechnol.Bioen., 26 (1984): 973 – 981.

11.- G.H Ayres, “Análisis Químico Cuantitativo”, Ed. Harla; México 1978,

12.- Nourbakhs, M., et al., A comparative study of various biosorbents for removal of chromium (VI) ionsfrom industrial waste waters. Process Biochem., 29 (1994): 1-5.

13.- Volesky, B., Removal of heavy metals by biosorption. In: M.R. Ladish and A. Bose (Editors), harnessingBiotechnology for the 21st Century, American Chemical Society, Washington, D. C (1992).

14.- Volesky, Silke Schiewer. Modeling of the proton-metal ion exchange in biosorption.

15.- www.igme.es/internet/RecursosMinerales/panoramaminero/historico/94-95/CROMO.pdf

16.- Cifuentes, F.R., W.C. Lendemann, and L.L. Barton. Chromium sorption and reduction in soil withimplications to bioremediation. Soil Science. 161:233-241 (1996).

17.- Peters, Max S. “Plant Design and Economics for Chemical Engineers”, Fourth Edition, U.S.A. 1991.

18.- Norma Oficial Mexicana NOM-018-STPS-2000, sistema para la identificación y comunicación depeligros y riesgos por sustancias químicas peligrosas en los centros de trabajo.

19.- Caso de estudio Decko Rack. S.A de C.V. (Datos de la empresa). México 2000.

20.- Jacqueline Cuautle, F. Lopez Martinez, J. Ravelo, Recuperación de cromo de las aguas industriales dela industria de acabados metalicos. Tesis de licenciatura, UAM Iztapalapa. Mayo 2002.

39

16.- APENDICES.

A 1. Análisis de la TIR para el proceso de tratamiento de aguas con cromo (VI)

Este análisis sirve para estimar que tan viable será el proceso a largo plazo, aquí se consideran losingresos y egresos en el proceso, la depreciación del equipo a utilizar, así como la inversión que se tiene enun inicio para arrancar la planta, además se consideran los gastos de impuestos que se realizan a lo largode diez años.

Para determinar si un proceso es factible o no, es importante que se cumpla que la TIR ( o también i)debe ser mayor a la TIIE actual de 6.2.

Un análisis en detalle de todos los aspectos relacionados con la rentabilidad de un proceso así como lametodología adoptada para desarrollar la tabla A1, se describe en [17].

Ingresos = 383600 TIR i 3.9Egresos = 156218

Inversion inicial So 50000

Año FAI Depreciacion Ingreso gravable Impuestos FDI St/(1+i)^t0 50000 5000 45000 1530000 500001 227382 5000 222382 22238 205144 418662 227382 5000 222382 22238 205144 85443 227382 5000 222382 22238 205144 17444 227382 5000 222382 22238 205144 3565 227382 5000 222382 22238 205144 736 227382 5000 222382 22238 205144 14.87 227382 5000 222382 22238 205144 3.08 227382 5000 222382 22238 205144 0.69 227382 5000 222382 22238 205144 0.12610 227382 5000 222382 22238 205144 0.026

Tabla A1. Cálculo de la TIR (en pesos) para el proceso de tratamiento de aguas con cromo (VI).

40

A2. Determinación de etapas teóricas para el caso de Cromo (III).

En la siguiente gráfica se muestra el calculo de las etapas teóricas requeridas para el sistema de

biosorción de cromo (III) con las mismas consideraciones que el caso anterior de cromo (VI). cabe

señalar que este sistema resultaría más rentable debido al menor uso de equipo y cantidad de lemna.

0

50

100

150

200

0 2 4 6q (mg Cr / L)

C e

q. d

e C

rom

o (II

I)

Datos de equilibrio. Linea de operación Linea de ajuste

Determinación de las etapas teoricas del proceso de biosorción de Cr (III).

Figura A3. Determinación de etapas de equilibrio para el caso de biosorción de Cr (III).