Modulo4 PTA 12

MDULO 4 Ingeniera Civil - Departamento de Obras Civiles

Marcelo Bravo Fortune

MDULO 4

PROCESOS UNITARIOS

Procesos Qumicos Unitarios Adicin de productos qumicos Desarrollo de reacciones qumicas

INTRODUCCIN

Qumicos

Neutralizacin Intercambio inico Ablandamiento Precipitacin Oxidacin Desinfeccin

Fsico - Qumicos

Coagulacin - Floculacin

Qu es la neutralizacin? Control de la variacin del pH mediante la aplicacin

de sustancias qumicas que controlan las reacciones acido - base

Neutralizacin

Cal; Soda Custica;

Dixido de Carbono; cido Sulfrico;

Alcalinizar Acidificar

Por qu es importante? Procesos rango de pH; Efluentesacidez/alcalinidad Normas de descarga;

Neutralizacin

Procesos de neutralizacin Mezclar efluentes cidos y alcalinos en un ecualizador; Neutralizar cidos en lechos de caliza (filtro);

Sistemas de Control Modo esttico; Controladores automticos;

Qu es? Reacciones qumicas de sustitucin entre un electrlito

en solucin y otro en estado insoluble.

Aplicacin Remocin de compuestos orgnicos

Eliminacin de colorantes de la industria textil y del papel

Ablandamiento del agua

Intercambio inico

En qu consiste? En la adicin de productos qumicos que cambian el

estado fsico de los slidos disueltos convirtindoles en insolubles y facilitando la remocin.

Aplicacin Proceso ms empleado para la remocin de metales; Magnesio, slice, fluoruro, calcio (fraccin); Fosfato disuelto

Precipitacin

Alumbre Sales de hierro Algunos polmeros

Cal

Eliminacin de metales mediante precipitacin

Precipitacin

Factores que influyen Naturaleza de las partculas en el agua residual; pH; Temperatura; Balance inico;

Principales sustancias utilizadas sulfato de aluminio; aluminato de sodio; sulfato frrico; sulfato ferroso; xido de calcio (cal);

Precipitacin

hidrxido de calcio (cal hidratada);

carbonato de sodio

Precipitacin

dosis ptima de precipitante; pH ptimo; sedimentabilidad de los precipitantes;

Prueba de jarras

Diversidad de constituyentes de

los residuos lquidos

Proceso de precipitacin

Prueba de Jarras

Precipitacin

Diferentes sustancias qumicas

Misma sustancia/Diferentes dosis

Qu es? Coagulacin

Coagulacin-Floculacin

Desestabilizacin de partculas suspendidas

Reduccin o anulacin de las fuerzas que las mantiene separada

Reactivos qumicos

Mezcla rpida

Coagulantes; la superficie de las partculas; la alcalinidad del agua; el agua misma;

Qu es? Floculacin


Transporte de partculas

desestabilizadas

Realicen contacto choquen

Mezcla lenta

Flculos de mayor tamao y/o densidad

Sedimentacin; Flotacin; Filtracin;

Para qu se realiza? Remocin de partculas de tamao pequeo,

coloidales, que no sedimentan o lo hacen en forma muy lenta Remocin de turbiedad orgnica o inorgnica; Remocin del color verdadero y aparente; Eliminacin de bacterias, virus y organismos patgenos

susceptibles de ser separados por coagulacin Destruccin de algas y plancton en general Eliminacin de substancias productoras de sabor y olor Eliminacin de substancias productoras de precipitados

qumicos


La sedimentacin de partculas pequeas



Tratada con coagulante Ro de agua turbia dispersin fina de

partculas diminutas.

Partculas Coloidales Carga superficial negativa Impide que las partculas se aproximen unas a otras


hidrfobos o suspensores

hidrfilos o emulsores

Repelen el agua

Afinidad al agua

arcillas

Polmeros Sustancias biolgicas

Sistemas coloidales

Qu reactivos se utilizan? Coagulantes Modificadores de pH Ayudantes de coagulacin

Coagulantes Sulfato de aluminio Cloruro frrico Sulfato ferroso Sulfato frrico cloro-sulfato frrico.


Sulfato de aluminio Sal derivada de una base dbil (hidrxido de aluminio)

y de un cido fuerte (cido sulfrico) soluciones cidas

pH vara entre 2 y 3.8 Forma slida o lquida Formula terica Al2(SO4)3 .18 H2O. Concentracin contenido en almina Al2O3


Sulfato de aluminio Principales reacciones del sulfato de aluminio con la

alcalinidad


Cloruro frrico Forma slida o lquida Lquida tratamiento del agua Formula terica Fe2Cl3 Altamente corrosivo (acero) Principales reacciones del cloruro frrico en el agua


Modificadores de pH xido de calcio o cal viva: CaO Hidrxido de calcio: Ca (OH)2 Carbonato de sodio: Na2CO3 Hidrxido de sodio: NaOH Gas carbnico: CO2 cido sulfrico: H2SO4 cido clorhdrico: HCl


Ayudantes de coagulacin polmeros aninicos, catinicos (de polaridad muy

variable) o neutros Formas slida (polvo) o lquida. Origen natural o sinttico Ensayos de coagulacin y floculacin eleccin. Slidos poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada

y son no inicos Lquidos soluciones catinicas


Esquema de formacin de puentes entre partculas en presencia de polmeros orgnicos


Coagulacin Coagulante se mide en una muestra de agua turbia con un alto grado de mezcla

Despus de la adicin de coagulante, el crecimiento de partculas se debe a la neutralizacin de la carga.

Coagulacin Despus de floculacin a una velocidad muy baja de agitacin (tpicamente de 10 a 15 rpm), la muestra es examinada despus de un tiempo establecido.

El sobrenadante se examina y se prueba despus de 5 a 10 minutos el tiempo de estabilizacin, y la naturaleza y volumen de los flculos se registra.

Coagulacin

Prueba tpica de jarra de dosis perfil.

Factores del proceso de coagulacin-floculacin


Coagulacin

Desestabilizacin de partculas

Modelo Fsico

(Doble capa)

Modelo Qumico

(Puente qumico)

Floculacin

Transporte de partculas

Ortocintico

(Gradiente de velocidad)

Pericintico

Por sedimentacin

Movimiento Browniano

Coagulacin

Partcula electronegativa

+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

+

+ +

+ +

+

- - -

- -

- - - -

- - - -

- - - - -

-

Coagulacin Modelo Fsico Doble capa

- Electroestticas - Van der Waals

+

Fuerzas

Agitacin trmica

Adhesin de iones

Capa compacta Capa de Stern

Coagulacin


+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

+

+ +

+ +

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+ +

- -

-

-

-

-

+

+

+

+

+ +

+

+

-

-

-

-

-

-

- - -

- -

- - - -

- - - -

- - - - -

-


Agitacin trmica 2da capa iones

Capa Difusa

Doble Capa

-

+ Concentracin de

iones menor

Plano de Corte

Coagulacin

Modelo de Stern-Gouy


+

+

+

+

+ +

+

+

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ + +

+ + +

+

+ +

+ +

+

+

+

+

+

+ +

+

+ - -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- - -

- -

- - - -

- - - -

- - - - -

-


Coagulacin

+ + - Potencial elctrico (PE)

PE exponencialmente

PE linealmente

PE desde la superficie

Sup

erfi

cie

Coagulacin

+ + -

Coagulacin

Presencia de iones

Concentracin

Coagulacin

Puente qumico Carga Primaria

Grupos qumicos presentes

Ionizacin

Iones metlicos

Coagulantes

Reacciones

Precipitacin de los coloides

Coagulacin

Floculacin

Partculas desestabilizadas

Coagulacin Pericintica Ortocintica

Movimiento Browniano

Agitacin del fluido Gradientes de velocidad

Qu mecanismo predomina?

Tamao de las partculas 1

Floculacin

Floculacin

J = Nmero de colisiones por unidad de tiempo; ni = partcula; R = distancia entre centros de partculas; D12 = coeficiente de difusin conjunto;

Von Smoluchowski (1918)

= 4 12 1 2

Ausencia de fuerzas repulsivas N de partculas choquen

Movimiento causal molculas de gas Movimiento Browniano

Teora de la floculacin pericintica

Floculacin

J = Nmero de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partcula; di = dimetro de la partcula; du/dz = gradiente medio del sistema

Von Smoluchowski (1918)

=1

6 1 2 1 + 2

3

Observaciones del proceso

Floculacin Acelera

Agitacin lenta

Teora basada en el gradiente de velocidad

Floculacin

Gradiente de velocidad

=

G = Gradiente de velocidad medio, 1/s; P = Potencia necesaria, W; = viscosidad dinmica, Ns/m2; V = Volumen del tanque, m3; td = tiempo de detencin, s; Q = caudal, m3;

Camp y Stein

Considerando el tiempo de detencin terico

=

=

1

=

Floculacin

H = Nmero de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partcula; di = dimetro de la partcula; G = gradiente de velocidad promedio;

Camp y Stein

=1

6 1 2 1 + 2

3

Smoluchowski

Laminar Turbulento

Floculacin

Otros modelos del proceso Argaman & Kaufman

Valor de G no era del todo representativo del proceso de colisin de partculas, de acuerdo a su escala de aplicacin.

El proceso de floculacin combina los efectos de aglomeracin y de ruptura de flculos.

= +

Floculacin

N0 = concentracin de partculas que entran a la cmara de floculacin; N = concentracin de partculas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculacin KA = cte. de aglomeracin; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s;

Para reactor de una sola cmara

0

=1 +

1 + 2

Floculacin

N0 = concentracin de partculas que entran a la cmara de floculacin; Nm = concentracin de partculas que sale da la ltima cmara de floculacin; KA = cte. de aglomeracin; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s; m = nmero de recmaras; t =tiempo total promedio de floculacin

Bajo el supuesto que los coeficientes KA y KB se mantienen constantes en un tanque con m cmaras de floculacin en serie. Determinaron la expresin:

0

=1 +

1 + 2 1 +

1

=0

Floculacin

Expresin equivalente

N0 = concentracin de partculas que entran a la cmara de floculacin; N = concentracin de partculas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculacin K = cte. De la reaccin, 1/(mg/l); D = funcin de distribucin adimensional; m = nmero de compartimentos del floculador;

0

= 1 + 0

Efecto del nmero de compartimentos

Floculacin

Resultado ms importante La compartimentalizacin de un sistema de flujo

continuo ejerce una influencia considerable en la eficiencia del floculador.

Se puede observar el porcentaje de remocin dependiendo del nmero de compartimentos en la figura que pasa de 58% a 85% (para relacin GN0t = 1)

Floculacin Coeficientes de floculacin

Coagulante: sulfato de aluminio

Floculacin

Efecto del Gradiente en la ruptura de flculos Bratby et al.

= 1 + 2

KB es dependiente del gradiente de velocidad, donde k1 y k2 son constantes para una determinada agua.

Para valores bajos de G KB es bastante pequeo Condiciones de floculacin normalmente empleadas en la prctica (G entre 70 y 15 s-1)

Simplificar la expresin general

Floculacin

Expresin simplificada

0

= 1 +

0

=1 +

1 + 2 1 +

1

=0

Floculacin

Correlacin de la cte. de aglomeracin Muestras del agua del ro Iguaz, en Curitiba, Brasil; Resultados de 300 ensayos de floculacin; Modelo simplificado;

= 0.192 104 0

0.8

Richter

Floculacin

Aspectos prcticos se sabe que siempre es ms difcil flocular aguas de baja turbiedad

Coeficiente de aglomeracin

Vara con la turbiedad del agua cruda

Turbiedad

Coeficiente de aglomeracin

Agua cruda del ro Iguaz (Curitiba, Brasil). Jar-tests Tiempo de floculacin: 15 min Gradiente de velocidad: G = 30 s-1

Floculacin

Relacin tiempo de floculacin y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman

G

Turbiedad residual

G < 100 1/s

Turbiedad residual Tiempo de floculacin

Floculacin


Tiempos de floculacin

G ptimo

Floculacin


Condiciones de mezcla rpida Gradiente

Tiempo de mezcla

G tiempo de floculacin

Mezcla rpida

Dosis coagulante

El valor de (G) ptimo al la dosis de sulfato

Valor ptimo de G versus periodo de floculacin

Floculacin

Relacin tiempo de floculacin y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Se determina del grfico de valor ptimo de G versus

periodo de floculacin la relacin:

2.8 =

=

Diversos proyectos realizados en Per, Brasil entre otros con la colaboracin de la CEPIS/OPS, permiten generalizar la expresin

Los valores de (n) y (K) varan en funcin de la calidad de cada agua

Floculacin

Otros modelos del proceso Hudson

=1

6 1 2 1 + 2

3

Parte de la expresin de Camp y Stein d2

d1

d2 >> d1

n1

n2

n1 floc en formacin n2 floc formado partculas que causan turbiedad

Floculacin


=1

6 2 2

3 d2 >> d1

=4

3 2

3 =1

6 2

3

=

2

Reemplazando

Floculacin


=

Supuesto Todas las colisiones resultan efectivas volumen de materia aglutinada por unidad de tiempo

No todas las colisiones resultan efectivas Se define razn de adherencia,

=

2

Floculacin

Nt = materia que no ha sido floculada (turbiedad remanente); N0 = materia inicial (turbiedad cruda); = razn de adherencia;

0

=


Rapidez con que se aglutina el floc depende de: Volumen del floc y no del nmero o tamao de las

partculas involucradas

Qu objetivo tiene? Garantizar la calidad del agua desde el punto de vista

microbiolgico; Asegurar que sea inocua para la salud humana;

Qu es? La eliminacin selectiva de organismos patgenos;

Qu mtodos se utilizan (agentes)? Qumico; Fsico; Radiacin;

Desinfeccin

Agentes qumicos Cloro y sus compuestos Bromo Yodo Ozono Fenol y sus compuestos fenlicos Alcoholes Metales pesados y compuestos afines Colorantes Jabones Compuestos amoniacales Agua oxigenada cidos y lcalis diversos

Desinfeccin

Agentes fsicos Luz Calor Tamices de malla gruesa Tamices de malla fina Desarenadores Filtracin Sedimentacin

Desinfeccin

Radiacin Electromagntica Acstica De Partculas

Proceso selectivo

Desinfeccin

no destruye todos los organismos presentes en el agua

no siempre elimina todos los organismos patgenos

Coagulacin; Sedimentacin; Filtracin;

Procesos previos

La desinfeccin es el ltimo proceso unitario de tratamiento del agua

Desinfeccin sea efectiva

Desinfeccin

Libres de partculas coloidales

Turbiedad Color

Accin del agente desinfectante

Mxima Eficiencia

Turbiedad 1

Coagulacin; Sedimentacin; Filtracin;

H2O

efectivos y eficientes

Algunos conceptos referidos a la destruccin de patgenos del agua Agente esterilizante Es aquel capaz de destruir completamente todos los

organismos (patgenos o no);

Desinfectante Es el agente que inactiva los grmenes patgenos;

Bactericida Agente capaz de inactivar las bacterias;

Cisticida Agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes;

Desinfeccin

Factores que influyen en la accin de los desinfectantes Tiempo de contacto; Tipo y concentracin del agente qumico; Intensidad y naturaleza del agente fsico; Temperatura; pH; Nmero y tipo de organismos; Naturaleza del medio lquido;

Desinfeccin

Tiempo de contacto

Cmo afecta este factor en la desinfeccin?

Desinfeccin

C0 desinfectante

mortalidad

tiempo de contacto

Observaciones realizadas por Chick

Ley de Chick

Tiempo de contacto Ley de Chick

Desinfeccin

0

=

Nt = nmero de organismos en el instante t; N0 = nmero de organismos en el instante inicial; k = constante, 1/t;

Nmero de microorganismos destruidos por unidad de tiempo es proporcional al nmero de microorganismos remanentes.

=2.303

0


Desinfeccin

Desinfeccin de las esporas de anthrax con 5% de fenol (Chick, 1908)

Susceptibilidad uniforme de las especies;

Concentracin constante; Ausencia de compuestos; Parmetros definidos

Supuestos ideales


Desinfeccin

Desviaciones Velocidad

Destruccin

V

elo

cid

ad

V

elo

cid

ad

desinfectante

Desinfeccin

=2.303

0


Desinfeccin

0

= m = constante;

m > 1 aumento de la velocidad con el tiempo; m < 1 disminucin de la velocidad con el tiempo;

Desinfeccin

Supervivencia de E. Coli en agua para un pH de 8.5 y de 2 a 5C Fuente: Fair & Geyer

Tipo y concentracin de desinfectante

Desinfeccin

C0 desinfectante

Agente qumico Efectividad desinfeccin

= constante

C = concentracin desinfectante n = constante; tp = tiempo % mortalidad cte.

Tipo y concentracin de desinfectante

Desinfeccin

Oxidantes fuertes

Eliminacin de microorganismos Remantes txicos

Halgenos (cloro, bromo y yodo). Ozono (O3). Permanganato de potasio (KMnO4). Agua oxigenada (H2O2) y los iones

metlicos.

Compuestos qumicos usados

Intensidad y naturaleza del agente fsico

Desinfeccin

Calor Luz

Sensibilidad microorganismos a temperaturas altas

Rayos ultravioleta

Inactivan los cidos nucleicos (ADN y ARN). No reacciona con los constituyentes del

agua Proceso sencillo. Proceso no necesita tanques de mezcla o

de contacto.

La penetracin de los rayos en el agua limitada.

Perdida de eficiencia Efecto puntual.

Ventajas Desventajas

Desinfeccin

mWs/cm (mJ/cm)

Coliform bacteria, legionella, faecal bacteria, streptococci, nematodes (eelworms) and yeasts etc.

3 - 40

Pathogenic fungi, such as fusarium, pithium,Phytophtora, etc.

30 - 120

Viruses such as cucumber virus, olpidium, cholera, etc.

60 - 250

Desinfeccin

Temperatura de la desinfeccin

Desinfeccin

12= 2 112

R = cte. de los gases E = energa de activacin, J/mol; t1; t2 = tiempo % mortalidad a temperaturas T1 y T2, K

Vant Hoff-Arrhenius

velocidad de desinfeccin

velocidad de difusin del desinfectante a travs de la pared celular

velocidad de reaccin con una enzima

Temperatura de la desinfeccin - pH

Desinfeccin

Energa de activacin para compuestos de cloro, en la destruccin de Esch. Coli en agua limpia

Compuesto pH E, cal/mol

Cloro acuoso 7.0 8,200

8.5 6,400

9.8 12,000

10.7 15,000

Cloraminas 7.0 12,000

8.5 14,000

9.5 20,000

Fuente: Metcalf&Eddy

La accin de los desinfectantes

pH del agua

dosis de desinfectante T y tc

rango de pH de mayor efectividad

+ alcalina es el agua

Nmero y tipo de microorganismos

Desinfeccin

El nmero de microorganismos afecta el proceso de desinfeccin? No. Para eliminar 1 o 1000 se requiere la misma C0 y tc T y pH del agua sean los mismos

= constante

C = concentracin desinfectante q = constante relacionada con desinfectante; Np = concentracin de organismos reducidos en % y tiempo determinado

Relacin emprica

Nmero y tipo de microorganismos

Desinfeccin

El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia en el proceso de desinfeccin? S.

Resistencia de la membrana Penetracin; Afinidad qumica;

Menos resistentes Coliforme; Salmonelas;

Altamente resistentes Esporas bacterianas;

Variables controlables en el proceso: La naturaleza y concentracin del desinfectante; El grado de agitacin al que se somete al agua; El tiempo de contacto entre los microorganismos y el

desinfectante;

Desinfeccin

Qu es el Cloro? Gas de color verde amarillento y olor sofocante; En la naturaleza se encuentra en forma de cloruros;

Desinfeccin con Cloro

Compuestos de cloro

Cl2

ClO2

Ca(OCl)2

NaOCl Plantas de tratamiento pequeas (prefabricadas) Piscinas Pozos

Caractersticas del Cloro como desinfectante Destruye organismos patgenos del H2O; De fcil aplicacin, manejo sencillo y bajo costo; La determinacin de C0 en el agua es sencilla y de bajo

costo; Dosis no constituye riesgo para el hombre ni para

los animales; Efecto residual proteccin posterior contaminacin;


Qumica del Cloro en el agua


2 + 2 + + +

+ +

Cloro libre disponible ;


Relacin del pH y T en la produccin de HCOl%

Otras reacciones Cloraminas


3 + 2 + 2

2 + 2 +2

2 + 3 + 2

monocloramina

dicloramina

Tricloruro de nitrgeno

Punto de quiebre


A

B

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