TECNOLOGÍAS DE MEMBRANA DOCUMENTO PREPARADO … · hueca celulósica regenerada y membranas...

Reuso de Aguas Residuales Industriales

CIDI Grupo de Investigaciones Ambientales 1999

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TECNOLOGÍAS DE MEMBRANA DOCUMENTO PREPARADO POR I.Q. BEATRIZ CUARTAS GIA UPB MARCO TEÓRICO

2.1. GENERALIDADES

2.1.1. Generalidades de las tecnologías a evaluar

2.1.1.1. Definición de membrana Una membrana es un film delgado (fino) que separa dos fases y actúa como una barrera selectiva al transporte de materia. Debido a un gradiente de potencial químico entre las dos fases. A una membrana entra una corriente de alimentación y salen dos corrientes permeado y rechazo. Las membranas se clasifican de acuerdo a los siguientes parámetros: • Fuerza directora • Mecanismo de separación • Estructura de la membrana • Fases de contacto Tabla 1. Clasificación General de las operaciones de membrana Operación Fuerza

directora Mecanismo de separación Estructura de

membrana Fase

1 2 Microfiltración Presión Cribado Macroporos L L Ultrafiltración Presión Cribado Mesoporos L L Nanofiltración Presión Cribado + (solución/difusión

+exclusión) Microporos L L

Osmosis inversa Presión Solución/difusión +exclusión Densa L L L: Líquido.

2.1.1.2. Clasificación de las membranas Según el mecanismo de separación Membranas porosas (efecto Criba) poseen poros finos de diferentes tamaños:

macroporos, mesoporos y microporos. Las operaciones de Microfiltración (MF), Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF) y diálisis usan membranas porosas.



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Membranas no porosas: La estructura de la membrana se clasifica como densa.

Las operaciones que utilizan este tipo de estructura son: osmosis inversa (OI), permeado gaseoso (PG) y perevaporación (PV).

Membranas de intercambio iónico: son un tipo especial de las membranas no porosas.

El uso de membranas en procesos de separación a escala industrial no esta exento de problemas técnicos y económicos. Los problemas técnicos están relacionados con la insuficiente selectividad de las membranas, los caudales relativamente pobres a través de ellos (ensuciamiento), y los problemas operativos. Los problemas económicos se originan en multitud de productos diferentes y procesos con distintas estructuras de precio. Rangos de tamaños: Rango iónico: 0.001 a 0.01 µm Rango macromolecular: 0.01 a 1µm Rango partícula fina: 1 a 10 µm. Según la morfología

Membrana asimétrica: un mismo material Membrana mixta: de diferente material

Según su geometría Pueden ser planas o cilíndricas. Las cilíndricas son: Membrana tubular con Di< 3 mm Membrana tubular de fibra hueca con Di< 3 mm (este tipo de membrana

geométricamente hablando es la membrana tubular más pequeña). Con diámetro exterior entre 80 y 500 µm se utiliza en OI, diámetros mayores a estos se utilizan en UF y MF, con lo cual reciben el nombre de membranas capilares.

Según su naturaleza química Pueden ser orgánicas (polímeros) o inorgánicas(metales, cerámicas, vidrio, etc.). Orgánicas: La mas usada es la de celulosa y sus derivados. En el tratamiento de agua se utilizan las de di y tri acetato, las cuales son relativamente resistentes al cloro y se utilizan en desalación, desendurecimiento, desinfección y clarificación. Otras membranas importantes son las de poliamida por su estabilidad térmica química e hidrofílica, pero son sensibles a la degradación oxidativa (cloro). Las de poliamida retienen mas trazas orgánicas que las de acetato de celulosa, además de los excelentes resultados en la eliminación de pesticidas. Inorgánicas: poseen mayor estabilidad química, mecánica y térmica en comparación con



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las orgánicas. Por sus costos es la mas utilizada en la industria química, principalmente para tratamiento de fluidos agresivos o de alta temperatura y donde se precisa esterilización térmica. Tipos de modulo Placa y bastidor: son módulos de fácil manejo. Arrollamiento de espiral: Son módulos compactos y tienen menor perdida de carga que el de placa bastidor. Es más sensible a la obstrucción que los de lamina plana y no puede utilizarse con agua turbia. Tubular: se pueden conseguir altas velocidades de circulación con alta turbulencia. Este módulo no necesita una prefiltración fina de alimentación y es de fácil limpieza. Trabajan bien con fluidos muy viscosos. El problema es la baja densidad de compactación lo que incrementa los costos de inversión. Fibra hueca: Este tipo de unidad es muy compacto (UHF y OI), su velocidad es baja (flujo laminar). Su ventaja principal es la facilidad de limpieza. El grado de pretratamiento para prevenir el ensuciamiento coloidal para las diferentes configuraciones es:

Fibra hueca > Espiral enrrollada > Tubular.

2.1.2. OSMOSIS INVERSA Y NANOFILTRACIÓN (OI/NF) La osmosis inversa (OI) es un proceso de alta presión que retiene virtualmente todos los iones y deja pasar el agua. La presión aplicada excede la presión osmótica de las sales contra una membrana semipermeable. La nanofiltración (NF) es una operación de ultra - baja presión, dejando pasar solo partículas más pequeñas de 1nm (10A); además exhibe características de las membranas de ultrafiltración y de las de osmosis inversa. Las membranas de nanofiltración operan en rangos más altos de corte de peso molecular que las de osmosis inversa. La membrana de osmosis inversa de alta presión es mucho menos permeable que la membrana de nanofiltración. La remoción de los subproductos precursores de Trihalometanos (THM) formados en la desinfección con cloro pueden controlarse por osmosis inversa y nanofiltración. La turbidez, dureza y color también pueden ser retirados con estas membranas, sin embargo la nanofiltración no ha sido muy exitosa para remover toda la turbidez a causa del ensuciamiento y si estas no se retienen en el pretratamiento harán antieconómico el proceso. Algunos pesticidas han sido eliminados bajo ciertas condiciones de trabajo, sin embargo los pesticidas con pesos moleculares mayores de 190 fueron eliminados satisfactoriamente por NF, pero otros no.



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La UF y MF pueden alcanzar los mismos resultados que la OI y NF para rechazar virus, bacterias, quistes y otros organismos patógenos pero son más baratos los primeros que los segundos. Sin embargo se ha demostrado que algunas bacterias pueden pasar el permeado de la OI y NF.

2.1.2.1. Configuración Aquí las mas utilizadas son las de fibra hueca y arrollada en espiral(estas se usan en la producción de agua potable). Las arrolladas en espiral mantienen una producción constante, sin ensuciamiento y pueden limpiarse mas eficazmente que las de fibra hueca, debido a que se produce un flujo turbulento. La OI y NF son membranas de difusión controlada por lo tanto necesitan ser selectivas, permeables, mecánicamente estables y resistentes a los cambios químicos y de temperatura. Las membranas de acetato de celulosa toleran bajas dosis de cloro residual, son muy susceptibles a la hidrólisis, la cual se acelera si se trabaja en el rango de pH de 4 a 6.5, bajo umbral de temperatura (<30 °C), susceptible a la degradación biológica. El triacetato y la mezcla Acetato de celulosa (AC)/ Triacetato de celulosa (TAC) son hidroliticamente más estables. Las membranas de poliamida tienen excelentes propiedades de retención, rango de pH más amplio(4 a 9), son estables a la degradación bacteriana. Pero las membranas de Acetato de celulosa tienen mayor rendimiento de caudal y son más resistentes a la degradación por oxidación que las de poliamida. Guía de selectividad de una membrana de osmosis inversa Los iones polivalentes son retenidos en mayor medida que los iones monovalentes. Los gases disueltos polares permean bien. El pH tiene un marcado efecto sobre la retención de ácidos inorgánicos débiles(ácido

bórico) y ácidos orgánicos. En una serie homologa, la retención aumenta con el aumento del peso molecular. La retención de isómeros aumenta con el aumento de ramificación; esto es,

terciaria>iso>secundaria>primaria. Los componentes con masa molecular > 100 dalton son retenidos sin relación con la

carga. La eliminación de turbidez o especies biológicas pueden realizarse por OI o NF pero es mas barato por UF y MF y cubre rangos desde 0.003 a 10µm y de 0.04 a 20 µm respectivamente. La NF elimina color, dureza o control de los subproductos de desinfección. La OI



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proporciona lo mismo que la NF y adicionalmente remoción de STD. Estudios piloto En un estudio piloto el coste puede variar mucho ya que depende del tamaño de la planta piloto, tiempo de trabajo, recolección y análisis de datos. El tamaño mínimo requerido para una membrana en un estudio piloto debe ser de 4 pulgadas por elemento. Los elementos más pequeños tienen la desventaja de no trabajar a recuperaciones mayores del 20%. Si se quieren obtener altas recuperaciones con un solo elemento se debe trabajar con caudales de recirculación, para mantener una velocidad mínima del caudal a través de la membrana. Se recomienda llevar a cabo dos tipos de logística para registrar los datos. La primera es un registro de trabajo y la segunda un registro de los datos obtenidos por los operadores. Durante las operaciones en la planta piloto deben llevarse a cabo dos diferentes tipos de logística: Registro del trabajo(temperatura, horas de arranque y parada, presión y caudal de

entrada y salida de cada etapa). Formulario para registrar los datos por los operadores de la planta piloto. Cálculo de consumo de energía: E = 0.00315H/ηrηpηm. E = Kwh./Kcal. H = altura de presión (ft.) ηi = Rendimiento de recuperación, bomba y motor. Casos de estudio de OI y NF La OI/NF se utilizan principalmente para la desalación y remoción de sólidos disueltos totales. Se eligió NF para eliminar color, THM y dureza del agua tratada.

2.1.3. ULTRAFILTRACIÓN La ultrafiltración es un proceso de separación que usa una membrana semipermeable para separar macromoléculas de una solución. El tamaño y forma molecular son factores importantes en la retención. La técnica de ultrafiltración tiene muchas ventajas sobre las operaciones de clarificación y filtración convencional, las cuales son:



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Ninguna necesidad de productos químicos (coagulantes, floculantes, desinfectantes, ajuste de pH)

Filtración por exclusión de tamaño en oposición a filtración por medio de profundidad. Adecuada y constante calidad del agua tratada en cuanto a eliminación de partículas y

microorganismos, independientemente de la calidad inicial del agua. Automatización sencilla. La UF retiene coloides, partículas y especies solubles de elevada masa molecular por medio de un mecanismo de exclusión por tamaño. Pero permite pasar la mayoría de especies ionicas inorgánicas, retiene partículas discretas y especies orgánicas y no ionicas dependiendo del peso molecular de corte de la membrana. El peso molecular de corte se usa para describir la capacidad de retención de la membrana y se refiere a la masa molecular de un macrosoluto (normalmente polietilenglicol, dextrano o proteína) para el que la membrana tiene una capacidad de retención mayor del 90% . Todas las membranas de UF son capaces de filtrar protozoos y bacterias del agua con gran eficacia por lo tanto es muy efectiva para eliminar material orgánico soluble en el agua y contaminantes microbiológicos. También puede atrapar virus si se utiliza un límite de corte bajo, tal como 100 kdalton. De tal forma que se garantiza un producto final desinfectado, sobre todo con la configuración de fibra hueca que ha demostrado una elevada eficiencia y fiabilidad en la desinfección de agua potable, en comparación con las de espiral enrollada, placas y tubulares. En un estudio realizado se trabajo con fibra hueca celulósica regenerada y membranas capilares, de estas dos la membrana capilar fue útil para remover turbidez, número de partículas, niveles de sólidos en suspensión, el número de bacterias y de virus de las aguas.

2.1.3.1. La ultrafiltración como pretratamiento para operaciones de membrana OI/NF

El pretratamiento para una unidad de OI es muy importante para la vida de la membrana y economía de la planta. Los módulos de OI de fibra hueca producen un permeado de mas elevada calidad, también requieren un agua de alimentación de alta calidad, mientras los requerimientos de calidad para los enrollados en espiral son menos exigentes. Características de la UF como pretratamiento: Operación continua y fácilmente automatizable. No apertura de caminos preferenciales como ocurre en los medios de filtración

granulares. Buena protección aguas abajo de la membrana de OI. No adición de productos químicos. Tratamiento de choque químico de simple desinfección. Diseño compacto del equipo de pretratamiento. La ultrafiltración reduce la concentración de colorantes de elevado peso molecular, Carbono orgánico total y la turbidez.



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2.1.3.2. Configuraciones de membrana y modulo La UF es una operación a presión a través de la membrana que emplea normalmente entre 0.5 y 5 bares. Esto permite utilizar bombas de desplazamiento, lo que hace que la instalación pueda construirse de componentes sintéticos, abaratando los costos. Geometría y tipo de membrana Las membranas de UF se pueden fabricar de dos formas: Las membranas normalmente se realizan sobre un sustrato de material poroso. El material portador forma parte de la membrana, proporcionándole resistencia mecánica, protección durante la fabricación y manipulación y simplificación de la construcción del módulo. Las membranas operadas por presión deben estar soportadas estructuralmente para resistir las presiones a las que se trabaja; la unidad operacional única en la que las membranas están colocadas se llama módulo. Esta unidad operacional consta de membranas, estructuras de soporte de presión, puertos de entrada de la alimentación, distribuidores del caudal y puntos de salida y drenaje del permeado y concentrado. Una sola entidad de membrana se suele llamar elemento( elemento tubular, arrollado, etc.). Las membranas capilares son autosoportantes debido a sus dimensiones tan pequeñas. Capilar: Son membranas cilíndricas, estas poseen diferentes tipos de estructura interna que puede ser tipo dedo o esponjoso. Estas membranas operan normalmente en Flujo cruzado. La desventaja de estas membranas es la restricción de la presión que limita la velocidad del flujo cruzado, pero tiene la potencialidad de ser las más económicas de las membranas disponibles, pero su limitada fabricación mantiene emparejado los costes con los de espiral enrollada. Tubular: Es la configuración más simple, de la cual el diámetro de 13 mm es la mas usada en el tratamiento de aguas residuales. Son menos propensas a ensuciarse que las membranas en otras configuraciones, ya que proporcionan un camino hidrodinámico simple al flujo, se limpian mecánicamente de una manera más sencilla. Las membranas tubulares de diámetro mayor, se disponen en paralelo cuando se necesitan altas velocidades de circulación (3m/s) y para reducir las pérdidas de carga a lo largo de las membranas y se conectan en serie cuando se necesitan velocidades de circulación menores(1m/s). Las desventajas de esta configuración son su coste y baja densidad de empaquetado de los módulos de membrana. Una ventaja operacional importante es que las membranas tubulares pueden soportar cargas mucho mayores de materia en suspensión que cualquier otra configuración y que pueden ser operadas con un pretratamiento del agua relativamente sencillo. En este tipo de configuración se pueden encontrar membranas de material cerámico. Arrollamiento en espiral: Inicialmente se uso para OI. Debido a la configuración de esta membrana se tienen dificultades con la limpieza y esterilización in situ. En UF es uno



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de los módulos menos costoso, además las velocidades y caídas de presión son bajas comparadas con otras configuraciones. Este tipo de configuración tiende mas al ensuciamiento que los de soporte tubular y los de placa y bastidor, pero son más resistentes al ensuciamiento que las membranas capilares. Sin embargo, no es posible retrolavar a la membrana tubular, ni a la espiral enrollada, ni a la de placas y marcos, pero sí a la capilar. Placa y bastidor: Son membranas de hoja plana. Esta configuración ofrece alta versatilidad comparadas con otras unidades, pero a un coste mayor de inversión. Los costes de membrana son bajos, pero los costes de trabajo de reemplazo son altos. Las unidades pueden desmontarse para permitir el acceso para la limpieza manual. Tabla 2. Ventajas y desventajas de las configuraciones de la membrana de UF Parámetro Tubular Capilar Placa y bastidor Arrollada en espiral Costo/superficie Alto Bajo Alto Bajo Costo cambio de membrana

Alto Moderado Bajo Moderado/bajo

Caudal Bueno Bueno Bajo Bajo Densidad m2/m3 Pobre Excelente Bueno/bien Bueno Volumen Alto Bajo Medio Medio Consumo energético Alto Bajo Medio Medio Ensuciamiento Excelente Bueno/bien Bueno/bien Medio Limpieza in situ Excelente Bueno Bien/pobre Bien/pobre Material Polímeros: Las membranas de UF se fabrican de acetato de celulosa o polímeros sintéticos (plásticos no celulósicos), tales como acrilatos y polisulfonas. Las propiedades de las polisulfonas son: Amplio rango de pH (1 a 13). Límite alto de temperatura (75 °C). Buena resistencia a los oxidantes (exposición al cloro). Amplio rango de tamaños de poro. La mayoría de las membranas de UF son hidrofóbicas (proporcionan estabilidad química, mecánica y térmica) y deben almacenarse húmedas, llenas de un agente humidificador, ya que si se secan se produce una perdida de flujo irreversible. Debido a la naturaleza de los coloides y compuestos disueltos en el agua, los polímeros hidrofílicos (como los celulósicos) generalmente proporcionan membranas que están menos sujetas a ensuciamiento que las hidrofóbicas (polisulfonas). Cerámicas: Estas membranas están hechas por sinterización de compuestos inorgánicos. Generalmente esta clase no muestra algunos defectos de membrana,



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aunque la resistencia de filtración de las membranas de MF es mejor que las de UF. Algunas ventajas de las membranas cerámicas comparadas con las sintéticas: Bajo costo de mantenimiento. Amplio rango de pH(0 a 14). Alta resistencia a la temperatura(140 °C). Elevada limitación de presión ( 2MPa). Elevado caudal. Resistencia al ensuciamiento. Elevada selectividad.

2.1.3.3. Consideraciones especiales en la evaluación del proceso Resistencia química y mecánica de la membrana para unos resultados fiables en

aplicaciones de campo. La optimización del proceso de ultrafiltración debe considerar la resistencia química y mecánica de las membranas. Estas propiedades están directamente relacionadas con el desgaste y el envejecimiento in situ, y así lo será el tiempo de vida de la membrana y la frecuencia de reemplazo de los módulos, reemplazar membranas representa del 30 - 60% del costo de producción de m3 de agua ultrafiltrada. La precipitación de ciertas sustancias minerales de UF es lo que más frecuentemente se han identificado. En algunas plantas de UF la oxidación de hierro y manganeso esta relacionado con el uso de oxidantes durante ciertos pasos (aireación o pretratamiento, inyección de cloro durante el retrolavado, etc.). La precipitación de hierro sobre la membrana produce ensuciamiento, el cual es reversible por retrolavado, pero debido al incremento del espesor de la torta, se observa perdida de carga.



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Tabla 3. Factores físicos y químicos que afectan la tasa de rechazo por una membrana de UF

A la membrana

Corte de la membrana Tamaño medio del poro Distribución del tamaño de poro. Carga superficial Rugosidad Adsorción del material Capacidad Mecanismo de rechazo Arrastre físico Por la membrana Por la capa de torta Por la película de gel Repulsión electrostática Adsorción Hidrodinámica

Solución de alimentación

pH, contenido mineral, sales de tensión y precipitación de óxidos metálicos Contenido orgánico, ensuciamiento, polarización del gel, formación de torta,

adsorción sobre o en la membrana Contenido de partículas, formación de la torta, bloqueo de poros.

Régimen hidráulico

Velocidad de flujo cruzado Presión a través de membrana Flujo laminar o turbulento

2.1.3.4. Pretratamiento de la UF La ultrafiltración es similar a la OI pero el requerimiento de pretratamiento del agua de alimentación es mucho menor. Esto se debe a que el pretratamiento depende de la calidad del agua de alimentación, a estas membranas no hay necesidad de hacerles ajuste de pH y cloración. Sin embargo puede ser necesario ajustar el pH para disminuir la solubilidad de un soluto en la alimentación con el fin de aumentar su filtrabilidad, esto es muy importante en el caso de filtración de proteínas. La ultrafiltración se emplea para eliminar sólidos en suspensión y sólidos macromoleculares disueltos de los fluidos. Los módulos industriales están diseñados para aguas de alimentación con alta carga de sólidos. El diseño de la configuración tubular hace que el pretratamiento requerido sea despreciable, incluso cuando se trata de aguas residuales de matadero altamente contaminados, cosa que no se da en las membranas de hoja plana. Para las capilares y de espiral enrollado. Los tratamientos mínimos son especificados por el fabricante debido



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a los problemas que pueden tener. Prefiltración: Hay pocos requerimientos para los de fibra hueca o tubulares. El fabricante recomienda el tamaño de los prefiltros a utilizar. Los módulos arrollados en espiral no se utilizan directamente con el agua bruta aun con sistemas de prefiltrado, aquí influye el ancho del canal hidráulico, los prefiltros deben tener un quinto del ancho de los del espiral. La configuración de espiral que no puede ser retrolavada y muestra bajo rendimiento de limpieza química, puede necesitar un pretratamiento con filtro de arena al igual que la OI y NF. Ajuste de pH: Se necesita cuando el agua esta por fuera del rango de trabajo de pH de la membrana. Este ajuste se necesita rara vez. Debe tenerse en cuenta que el ajuste de pH no es necesario para el control de la incrustación, ya que las membranas de UF no eliminan iones disueltos. Sin embargo se puede dar la precipitación de carbonato de calcio, haciéndose necesario modificar el pH para evitar la precipitación de esta sal en la membrana, tuberías y tanques. Preoxidación: Las aguas que contienen hierro y manganeso disueltos o quelados tienen que ser tratados con una oxidación para precipitar estos iones antes de la filtración por la membrana. Coagulación/adsorción: La materia orgánica natural(MON) es de gran importancia en el ensuciamiento . Para eliminarla se utiliza carbón activo y coagulantes (alúmina, cloruro férrico, etc.). Procedimiento de retrolavado. El retrolavado es uno de los métodos que más controla el ensuciamiento de la membrana de fibra hueca. Usualmente se usa una bomba de retrolavado para revertir el flujo del permeado, del lado del permeado a lado de producción de la membrana, a una presión efectiva de 5 a 10 psi. El permeado se usa para limpiar la superficie de la membrana(por ejemplo la torta formada) y desconcentrar el sistema de tuberías. El agua de retrolavado, es pues, un rechazo. En la limpieza por retrolavado el cloro desempeña un papel primordial para evitar el ensuciamiento.

2.1.4. MICROFILTRACIÓN (MF) La microfiltración es una tecnología muy antigua y consigue la eliminación de contaminantes de la alimentación de un proceso de separación basado en la retención de contaminantes sobre la superficie de la membrana, teniendo un tamaño de poro desde 0.05 a 5µm. Estos tamaños de poro eliminan partículas y microbios y trabaja a bajas presiones. Este proceso de membrana esta dirigido a reemplazar cuatro procesos unitarios en el tratamiento convencional del agua: mezcla rápida, coagulación, floculación y medios filtrantes. En comparación con el tratamiento convencional, la MF es un proceso físico que elimina contaminantes por cribado.



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2.1.4.1. Aplicaciones de la microfiltración Hay varias aplicaciones de la MF en la industria del agua potable, su uso se debió principalmente a una mejor eliminación de partículas y microorganismos de los suministros de agua potable. Además de disminuir la cantidad y concentración de productos químicos utilizados. Otra aplicación de esta técnica es la eliminación de materia orgánica natural o sintética de la siguiente manera precribado, pretratamiento, MF y desinfección. Los dos pretratamientos más comunes son adición de coagulante metálico y carbón activo en polvo. Ambos han conseguido una mejor eliminación de la materia orgánica natural o sintética. Otra aplicación de MF incluye la deshidratación de los lodos y la eliminación de materia coloidal en corrientes de rechazo antes del tratamiento por OI.

2.1.4.2. Selección del modulo de MF Geometría del módulo Hay varias tecnologías geometrías disponibles comercialmente: Arrollada en espiral. Tubular. Fibra hueca. Capilar. Disco tubo. Plato y bastidor. La arrollada en espiral no es muy empleada en esta configuración debido a la naturaleza de la membrana de hoja plana, que presenta dificultades para mantener la superficie de la membrana limpia. Sin embargo las de fibra hueca y la tubular permiten a la membrana ser retrolavadas, para controlar el ensuciamiento debido a partículas y materiales orgánicos. Membranas capilares de fibra hueca Esta configuración permite ser retrolavada. Hay dos diferentes regímenes de flujo en la MF por fibra hueca: Interior - exterior y exterior-interior. Como el agua esta fluyendo a través de un canal el interior-exterior permite un buen control hidrodinámico del módulo. Por otro lado es más difícil controlar el flujo exterior-interior(si es flujo cruzado) ya que se crean zonas muertas, sin embargo una ventaja de esta distribución es que hay menos pérdidas de carga. Membranas tubulares En MF estas membranas tiene mayores diámetros (1 a 2,5 cm), aquí algunas veces se suelen utilizar ayudantes de filtración (caolín o caliza) para formar una torta y mejorar la filtrabilidad del agua.



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Tabla 4. Ventajas y desventajas de las configuraciones tubular y de fibra hueca para MF

Fibra hueca Ventajas Bajas velocidades de flujo cruzado, en el rango de 0 a 2,5 m/s. Modelo de flujo interior-exterior, las tasas de restricción son altas debido a las

pequeñas luces del interior de la fibra. Elevada área superficial/volumen o densidad de compactación de membranas Se puede retrolavar. Bajas presiones transmembrana, normalmente de 0,2 a 1 bar. Baja caída de presión a través del módulo, en el rango de 0,1 a 1 bar. Desventajas Membranas de diámetro pequeño se pueden taponar, a no ser que se aplique un

precribado. Dificultad de detectar fugas de la membrana en las grandes plantas.

Tubular Ventajas Grandes diámetros de canales (1 a 2,5 cm) permiten el tratamiento de aguas con

alto contenido en sólidos y grandes partículas. Elevada velocidad de flujo transversal (hasta 5 m/s), utilizada para controlar el

ensuciamiento. Grandes diámetros de canales que facilitan la limpieza, también se puede utilizar

limpieza mecánica. Desventajas Baja relación área superficial/volumen o densidad de compactación de

membranas. Las membranas cerámicas son mas caras por m2 de área de filtración comparadas

con otras configuraciones de membrana.

2.1.4.3. Pretratamiento Prefiltración: En comparación con los procesos convencionales de clarificación del agua, donde se añaden coagulantes y otros productos químicos antes de la filtración, bastan pocos requerimientos de pretratamiento para los sistemas de fibra hueca cuando las partículas y los microorganismo son los contaminantes. Son necesarios prefiltros para eliminar grandes partículas que pueden cegar el interior de las fibras. El precribado nominal o tamaño de prefiltro esta en el rango de 50 a 200 µm, dependiendo del diámetro interior de la fibra. Hay varios tipos de prefiltros tales como, filtros de disco o filtros de bolsa y en otros casos se utiliza adición de coagulantes. Ajuste de pH: Este ajuste puede requerirse antes de la filtración de membranas para mantenerlo en el rango adecuado, esto es más importante para polímeros de derivados celulósicos.



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2.1.4.4. Requerimientos de bombas Las plantas de MF requieren hasta tres(3) tipos de bombas: 1. Bomba centrifuga de velocidad variable: esta se usa para entregar agua bruta al

modulo de membranas a la presión de trabajo y caudal requerido(entre 1,4 y 2 bar, para membranas de fibra hueca). Otra que pertenece a esta familia es la bomba de cavidad progresiva: esta se usa para configuraciones tubulares para evitar el desgaste por las partículas que van a ser eliminadas del agua de alimentación.

2. Bomba de recirculación: esta se utiliza para con aguas con elevada turbidez y COT. 3. Bomba de retrolavado.

2.1.4.5. Postratamiento Las membranas de MF parecen seleccionar bacterias, quistes y ovoquistes protozoarios. De modo distinto a la UF, sin embargo la MF no elimina densidades apreciables de virus bajo las condiciones de sedimentación. Por lo tanto es necesario complementar la MF con una desinfección posmembrana.

2.1.4.6. Calidad del agua permeada Eliminación de microorganismos Una de las aplicaciones principales de la MF es la eliminación de microorganismos. Para un mejor uso de la MF es útil identificar los organismos y su tamaño. En el tratamiento de agua, los organismos patógenos principales son: virus, bacterias y protozoos. El tamaño de los poros de MF es de 0.05-5 µm. Se ha demostrado que la formación de la capa de torta sobre la superficie de la membrana puede incrementar la eliminación de virus, sin embargo estudios de laboratorio arrojaron mejores resultados para la membrana de UF que la de MF para la remoción de virus. Para bacterias las de UF y MF reportaron iguales resultados. Eliminación de partículas Esta es una de las aplicaciones de la MF. El sistema de MF de fibra hueca de polipropileno redujo la turbidez de un agua superficial y la eliminación de partículas. Al usar membranas tubulares cerámicas, se encontró que la turbidez del permeado depende del tamaño del poro. Eliminación de materia orgánica natural La eliminación de MON es especifica de la membrana y del agua



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2.1.4.7. Operación y mantenimiento de la MF Los sistemas son operados básicamente de dos maneras: A caudal constante de agua a través de la membrana con presión variable. A presión constante a través de membrana con un caudal de agua transmembrana

variable. Estos dos modos se utilizan para asegurar una tasa constante de producción, el inconveniente más común es la disminución del caudal transmembrana por ensuciamiento. Hay varias forma de restablecer el caudal permeado 1. Retrolavado de membranas. 2. Pretratamiento de membranas. 3. Limpieza de membranas. Retrolavado de membranas Para prevenir la acumulación de sólidos sobre la superficie de la membrana, ser usa el retrolavado, el cual dura solo unos minutos. Ambos, líquido y gas de retrolavado, se emplean con la MF. El retrolavado líquido que se lleva a cabo de dentro hacia a fuera de las membranas, puede realizarse automáticamente ya sea cuando la presión alcanza un valor o cada cierto tiempo. Pretratamiento de MF Este se emplea para incrementar la eliminación de ciertos constituyentes presentes en el agua, también se utiliza para incrementar o mantener el caudal a través de la membrana y/o retrasar el ensuciamiento. Los dos tipos más comunes de pretratamiento son adición de coagulantes o de carbón activado en polvo. Los coagulantes que se han utilizado son sulfato de alumina o sulfato férrico en concentraciones de 5 a 50 mg/L. Los coagulantes metálicos son inyectados normalmente a través de la línea de alimentación de agua bruta. Limpieza química Se utiliza cuando los materiales ensuciadores no pueden ser retirados de la membrana por retrolavado. Las variables que se deben tener en cuenta son: Frecuencia de limpieza. Duración de la limpieza. Productos químicos. Volúmenes de limpieza y detergente. Temperatura de limpieza. Recuperación y reutilización de los productos químicos. Neutralización y puesta a disposición de los productos químicos de limpieza.

2.1.4.8. Prueba de integridad de la membrana



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Uno de los aspectos más críticos al utilizar tecnologías de membrana es asegurar que están intactas y continúan suministrando una barrera entre el agua de alimentación y el permeado. Los métodos mas utilizados para evaluar las condiciones de la membrana son: Monitorización de la turbidez. Conteo de partículas (contaje multicanal). Monitorización de partículas (contaje de canal único). Prueba de presión de aire. Prueba del punto de burbuja. Onda sonora sensible. Monitorización biológica.

2.1.4.9. Casos de estudio Se utilizo MF para eliminar organismos patógenos y turbidez del agua de alimentación. La configuración utilizada fue prefiltros seguido de la MF y posterior desinfección.



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Tabla 5. Resumen de las diferentes tipos de membrana

Técnica Geometría Composición Aplicaciones U.F Fibra

hueca(capilar). Tubular. Placa y bastidor. Arrollada en espiral.

Celulosa. Polisulfonas. Cerámicas.

Reemplazar la clarificación y desinfección físico - química (remoción de partículas patógenas, microorganismos y material coloidal del agua potable).

Recuperación de pintura por electrodeposición. Remoción de metales pesados.

N.F Arrollada en espiral. Fibra hueca.

Acetato de celulosa. Poliamida.

Remoción de los subproductos de la desinfección y materia orgánica. Remoción de nitratos y metales pesados. Remoción de pesticidas y sales. Remoción de color y dureza.

O.I Fibra hueca. Arrollada en espiral.

Acetato de celulosa. Poliamida.

Retener sales y soluto de bajo peso molecular. Retener bacterias patógenas. Obtención de agua de gran calidad para recreo donde la arrollada en

espiral de alcohol polivinilo y fibra hueca de triacetato de celulosa eran las mas adecuadas.

Remoción de sólidos totales disueltos y metales pesados. M.F Fibra hueca

(capilar). Tubular.

Polipropileno. Cerámica. Polisulfona. Polímero fluorado. Fibra tejida de

poliéster.

Clarificación, también ha tenido éxito en la desinfección de aguas residuales. La desinfección por esta técnica ha tenido mas éxito que la UF y OI.

Remoción de bacterias. Metales pesados.



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Tabla 6. Comparación de diferentes tipos de módulos

Criterios Placa y bastidor

Arrollamiento en espiral

Tubular

Fibra hueca

Fibra Capilar (OI) (UF/MF)

Densidad compacta + ++ - +++ +++ Facilidad limpieza In situ + - ++ - - De barrido - - -(1) - +++

Costo del modulo + +++ - ++++ +++ Caída de presión - ++ +++ ++ ++ Volumen extraído + + - +++ ++ Calidad pretratamiento + - +++ - ++ - Clara desventaja +++ Clara ventaja (1) Con la excepción de ciertos módulos cerámicos, donde la capa que forma la membrana está químicamente limitada por su soporte.



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2.1.5. INTERCAMBIO IONICO Las resinas son sustancias susceptibles a cambiar iones de su estructura por otros iones de una solución que está a su alrededor en cantidades estequiométricas iguales. Se pueden presentar dos ciclos de intercambio iónico: Cama de resina cambiadora de aniones: se reemplazan M- (CN-, SO4 -2) por OH-. Cama de resina cambiadora de cationes: Se reemplazan metales M+ por H+. Los intercambiadores de iones están hechos a base de poliestireno reticuladas con divinilbenceno (DVB). Es decir, es una estructura tridimensional de elevado peso molecular. Para intercambiar cationes fuertemente ácidos sé sulfona la resina. Para intercambiar cationes débilmente básicos, en lugar de estireno se usa ácido acrílico. Las resinas intercambiadoras son insolubles en ácidos concentrados, bases y sales y son resistentes a agentes oxidantes y reductores. Son térmicamente estables y de elevada capacidad de intercambio. Cada resina trabaja a un determinado rango de pH. Si se van a usar dos camas, una de resina catiónica y la otra aniónica, se recomienda poner la unidad de cationes y luego la de aniones para prevenir la precipitación del catión magnesio, el cual puede ocurrir si el flujo de agua tiene primero contacto con un pH alto de la resina aniónica en forma de hidróxido. Los intercambiadores iónicos son selectivos frente a otros iones, esta selectividad depende de: La carga. El peso molecular. La concentración de la solución. Por ejemplo posee mayor afinidad por un ±2 que por ±1 pero si poseen la misma carga entonces elige al del mayor peso molecular.

2.1.5.1 Naturaleza química de las resinas Tipo gel Estas son las resinas convencionales, conseguidas a partir de la polimerización del divinilbenceno y el estireno. Los grupos de intercambio están distribuidos estadísticamente en la partícula, es muy difícil describir la porosidad o estructura porosa de estos geles, ya que la distancia entre los enlaces cruzados y las cadenas varía considerablemente, dependiendo de factores tales como: concentración de electrolitos, temperatura, naturaleza iónica, etc.



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Macroporosas Son resinas formadas por un polímero de poliestireno y divinilbenceno, como las tipo gel, pero su apariencia es diferente a las gel. Tiene una porosidad mucho más definida que las resinas tipo gel, además de que el tamaño de los poros es mayor. Las macroporosas posee mayor estabilidad y permite el uso de la resina de intercambio en aguas en donde la resina tipo gel sufriría daños en su estructura rápidamente y su capacidad de intercambio se reduce. Las resinas más comúnmente usadas son las gelatinosas, estas tienen una alta capacidad y cuestan menos, tienen alto poder de eficiencia en operaciones y tienen un nivel más bajo de DVB, lo cual mejora la cinética. Las gel están hechos con un resistente acrílico, sin embargo es menos estable cuando se le aplican altas temperaturas, ellas exhiben buena resistencia a impurezas orgánicas. Los gel y macroporosas tienen una estructura molecular con uno o más radicales ácidos o básicos. Estos radicales son las bases para la clasificación del intercambio iónico dentro de cuatro grupos funcionales.

2.1.5.2 Clasificación de las resinas de acuerdo a los grupos funcionales Cationes fuertemente ácidos: En estas resinas la actividad de intercambio se debe

al grupo funcional sulfónico que es altamente ionizable. Estas resinas operan a un pH especifico, requiere excesivas cantidades de regenerante y es la resina más usada. Estas resinas reducen los sólidos totales disueltos.

Cationes débilmente ácidos: Estas resinas tienen grupos carboxílicos como

cationes que intercambian lugares y se remueven. La resina es altamente eficiente, pero es regenerada solamente con un 110% de la cantidad estequiométrica de ácido, comparada al 200-300% requerido para resinas fuertemente ácidas.

Secuencia de selectividad para resinas catiónicas:

Ba+2>Pb+2>Sr+2>Ca+2>Ni+2>Cd+2>Cu+2>Co+2>Zn+2>Ti+2>Ag+2>Cs+2>Rb+2>K+>NH4+>Na+>Li+

Las resinas catiónicas poseen alta estabilidad a la oxidación y al choque osmótico, El hierro en suspensión tiende a adherirse a la resina y es difícil de eliminar. Aniones fuertemente básicos: Estas resinas derivan su funcionalidad de amonios

cuaternarios que cambian de sitio. Todas las resinas fuertemente básicas usadas para la desmineralización pertenecen a dos grupos: tipo 1 y 2. Químicamente los dos tipos difieren de las especies de amonio cuaternario intercambiado.

Tipo 1: Tienen tres grupos metil, estas resinas son adecuadas para remoción total de aniones en todas las aguas, estas son más difíciles de regenerar y se hinchan más desde la forma clorinada a la forma hidróxido. Es más resistente a altas temperaturas y pueden ser usadas en aguas alcalinas y altas en sílice. Tipo 2: Tiene un grupo etanol y dos metil, estas remueven todo tipo de aniones, pero



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pueden ser menos efectivas en la remoción de sílice, dan buenos resultados en aguas que contienen predominantemente minerales ácidos libres, cloruros y sulfatos como en el influente de una unidad decarbonatadora. Las resinas aniónicas fuertes no solo remueven la acidez mineral libre (nitratos, cloruros y sulfatos) sino también la alcalinidad (aniones carbonato, y bicarbonato) y la sílice del agua. Aniones débilmente básicos: Estas resinas contienen un grupo funcional

poliamino, el cual hace de adsorbedor ácido, removiendo ácidos fuertes (libre de minerales acidificados) del cation. Estas resinas ionizadas débilmente son regeneradas eficientemente con NaOH, el cual restaura los sitios intercambiados a la forma de base libre. El paso de la regeneración es esencialmente una neutralización de los ácidos fuertes que son colectados en la resina y pueden usar desechos cáusticos desde la unidad del anion de base fuerte para realzar lo económico. Las resinas de anion de base débil pueden ser usadas en aguas de altos niveles de sulfato o cloruros o donde la remoción de la alcalinidad y la sílice no sean requeridos.

Estas resinas no remueven aniones de sales neutras como NaCl, solo la acidez mineral, es decir aniones de ácidos fuertes como NO3

-. SO4-2 y Cl-

Secuencia de selectividad para resinas aniónicas:

OH-<F-<Cl-<Br-<NO3-<HSO4-<I- Si se tienen compuestos orgánicos se prefiere trabajar con resinas aniónicas macroporosas. Las impurezas de resinas aniónicas por compuestos orgánicos es un problema común, ocurre cuando ácidos orgánicos como el húmico o tánico son removidos por resinas aniónicas de base fuerte pero estas no se remueven completamente durante el paso de la regeneración, las impurezas orgánicas pueden reducir la capacidad de intercambio causando largos enjuagues e incrementos de fugas. La operación de un intercambiador esta limitada por la cinética, el equilibrio y los factores mecánicos. Esto se puede minimizar usando lechos fijos. Se utiliza lecho fluidizado cuando en el líquido a tratar hay sólidos suspendidos y no es práctico o deseable removerlos de la solución. En el lecho fluidizado se da un contacto completo entre sólido y líquido. Para lograr altas ratas de intercambio se pueden usar partículas de menor tamaño y con bajo grado de entrecruzamiento y temperatura elevada. Sin embargo hay que tener en cuenta que partículas de menor tamaño ofrecen mayor resistencia al flujo y perdida de presión, el bajo entrecruzamiento favorece el hinchamiento. Las altas temperaturas pueden disminuir la selectividad del intercambiador o promover reacciones indeseadas, además de tener bajas ratas de flujo. Tabla 7. Clases de resina



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Categoría

Resina

Ácido o base análoga

Catiónica fuerte Rz SO3 H H2SO4

Catiónica débil Rz COOH CH3COOH

Aniónica fuerte Rz NR3 OH NaOH

Aniónica débil Rz NR2 NH3

2.1.5.3. Propiedades del material Tamaño de partícula: Para uso industrial el tamaño de partícula de las esferas de

resina resulta de la relación entre la velocidad de intercambio (la cual es mayor con partículas pequeñas) y la rata de flujo (la cual requiere partículas grandes para tener menores perdidas de presión). El tamaño estándar varía entre partículas con un diámetro entre 0,3 y 1,2 mm, pero se pueden conseguir tamaños menores o mayores según la necesidad del proceso.

Solubilidad: El intercambio iónico de sustancias pueden ser solubles bajo operación

normal. Todas las resinas intercambiadoras usadas actualmente son poliácidos o polibases de alto peso molecular que son virtualmente insolubles pero después de ciertas temperaturas se solubilizan.

Forma: La forma de los gránulos esféricos deben tener máxima homogeneidad y

dimensión uniforme, tal que las pérdidas en la cabeza del fluido en la percolación permanezcan aceptables. Normalmente, los rangos de tamaño son de 16-50 U.S. mesh.

Densidad: Esta es una propiedad muy importante en las resinas, existen varios tipos

de densidad. La más representativa es la densidad húmeda de una partícula individual. Las densidades húmedas de los diferentes tipos de resinas está entre los siguientes rangos:

Resinas catiónicas fuertes 1.18 - 1.38 Resinas catiónicas débiles 1.13 - 1.20 Resinas aniónicas fuertes 1.07 - 1.12 Resinas aniónicas débiles 1.02 - 1.10 Caída de presión: Es muy importante en el diseño de equipos, la caída de presión

relaciona el tamaño, la forma, la uniformidad y la compresibilidad de las partículas, la viscosidad de la solución, la temperatura y rata de flujo utilizada.

Resistencia a la fractura: La expansión y contracción de la resina durante el agotamiento y la regeneración no deben ser causa para que se revienten los gránulos. El diseño de aparatos de intercambio iónico debe también estar dirigido a la



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expansión, a evitar excesiva tensión o abrasión mecánica de la resina. El agua a ser ionizada por resinas de intercambio iónico debe estar libre de material suspendido y coloidal. El material no disuelto colectado puede obstruir la cama, causando canales y pobre distribución en la cama de resinas, reduciendo la capacidad y disminución de su vida. Se podrían remover estas sustancias antes de entrar al lecho.

2.1.5.4 Secuencia de operación 1. Ciclo de servicio o exhaución: Es el paso más largo del ciclo, aquí el líquido a tratar se pone en contacto con el lecho y los iones no deseados son removidos de la solución, la resina en la cima del lecho se agota primero. El manejo puede ser manual o automático. Alimentación

Producto 2. Retrolavado: Este es el primer paso en la secuencia de regeneración, el flujo de agua es introducido por debajo de la cama de 10-15 min. A un flujo alto con el fin de remover material que se haya depositado sobre la resina. También se hace para eliminar partículas muy pequeñas y reorganizar por tamaños el lecho. Agua con impurezas Agua 3. Regeneración: El lecho se pone en contacto con una solución regenerante, la cual será: Soluciones ácidas cuando son resinas catiónicas Soluciones básicas cuando son resinas aniónicas Soluciones salinas. Regenerante

Lecho de resinas

Lecho de resinas

Lecho de resinas



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Eluido 4. Lavado: Se pasa agua por el lecho pero a diferencia del retrolavado no se hace hacia arriba, sino hacia abajo y con el objeto de mantener el nivel del líquido por encima del nivel del lecho para evitar la presencia de burbujas que entorpecen el flujo; además el lavado permite desplazar la solución regenerante residual, completando así el paso anterior. La rata de flujo de lavado es mucho menor a la del retrolavado, generalmente muy parecida a la rata de flujo de servicio.

Agua de lavado Agua con impurezas Regenerantes El HCl entrega alta capacidad pero el H2SO4 es más barato. Antes la resina aniónica tipo 1 era usada para la aplicación de más de dos camas donde la remoción de sílice era requerida. La resina aniónica tipo 2 ha sido difundida en los años recientes por el ahorro en soda cáustica y el incremento del rendimiento. Para obtener mayor eficiencia y efluentes más puros, la solución regenerante y el líquido a tratar se hacen pasar en direcciones opuestas. De esta forma el lecho no se fluidiza durante la regeneración. El intercambio en la resina durante la regeneración, sucede cuando los iones de hidrógeno desplazan las moléculas metálicas. Grandes cantidades de regenerante son necesitadas para disponer de iones de hidrógeno, en algunos casos los iones metálicos se acumulan de arriba hacia abajo a través de la cama. En el ciclo siguiente los iones de hidrógeno reintercambiados con iones de sodio residual causan un escape de sodio. La concentración de ácido sulfúrico utilizada como regenerante esta entre ( 1-4%) y si es ácido clorhídrico es (4-10%) o si es hidróxido de sodio (4%). Actualmente las técnicas de intercambio iónico han mejorado la fabricación de las resinas de tal forma que se necesiten menos concentración de reactivos regenerantes haciendo mas competitiva esta técnica frente a las de membrana. El más simple y más común sistema de desionización es el de dos camas, una catiónica

Lecho de resinas



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de ácido fuerte seguida por una aniónica de base fuerte. Un desgasificador puede ser agregado al sistema de dos camas entre la unidad del cation y la del anion. Este equipo remueve la alcalinidad presente como CO2 y decrece la carga de la unidad aniónica, como resultado menos resina aniónica es necesitada. Si se tienen aguas con alta cantidad en sólidos disueltos se recomiendan las resinas iónicas débiles. Una calidad más alta de pureza del efluente puede ser obtenido con el uso de la unidad de una cama mezclada. Esta es una mezcla intima de una resina catiónica fuertemente ácida con otra resina aniónica fuertemente básica lo cual puede lograr un efluente con una conductividad de 0.055 - 0.1 µmhos, lo más bajo de sólidos disueltos contenido en el agua, menos conductividad y resistencia. La cama mezclada puede servir como un pulidor para un sistema de osmosis inversa.

2.1.5.5. Equipos de intercambio iónico Son muchos los equipos para intercambio iónico debido a sus numerosas aplicaciones, algunos son: Columnas simples y múltiples Un intercambiador típico de columna simple es una vasija a presión con facilidades para soportar un lecho intercambiador, recolecta líquido en el fondo de la columna y distribuye líquido uniformemente sobre el lecho. En su exterior la unidad posee una válvula que permite la operación y retrolavado dejando pasar los químicos y el agua. Las unidades de múltiples columnas no son más que varillas sencillas, colocadas en serie; su número y sucesión depende de la aplicación elegida y el tipo de intercambiadores utilizados. Lechos mixtos El lecho esta formado por una mezcla de intercambiador catiónico y otro aniónico (casi siempre dos tipos de resinas, una catiónica fuerte y una aniónica fuerte). Para la regeneración del lecho mixto se hace un retrolavado donde la resina aniónica por ser menos densa ocupa la parte superior y la catiónica la parte inferior del lecho. Una vez regeneradas las resinas son mezcladas nuevamente usando aire. Al utilizar la configuración de un solo lecho, este proporciona menor capital invertido, menos lavado de la resina, calidad de líquido constante, mayor capacidad y mayor grado de desionización. Intercambiadores continuos Dos tipos de intercambiadores continuos son los de mayor aceptación comercial, las columnas pulsadas y el lecho fluidizado. En las columnas pulsadas la resina es transportada en un ciclo que posee zonas de servicio, regeneración y lavado, las zonas son separadas por válvulas. En los lechos fluidizados la columna es dividida verticalmente en cámaras y la resina es transferida de una cámara a otra sin interrupción de la alimentación o líquido a tratar. Otra aplicación del intercambio iónico es la coalescencia de aceites, usando resinas oleofílicas pueden retirarse aceites de soluciones acuosas. El aceite es extraído por la



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resina formando microgotas que coalescen y luego de alcanzar cierto tamaño son decantadas. 2.1.5.6. Contaminantes que ensucian la resina Turbiedad Las trazas de hierro y manganeso si no fueron atrapadas por la columna catiónica al entrar a la columna aniónica, ocasiona la precipitación de estos metales en los poros interfiriendo con la difusión de iones. Agentes oxidantes Los agentes oxidantes atacan la resina catiónica y pueden indirectamente bajar el carácter fuerte de la resina aniónica. Los ácidos sulfónicos pueden dañar la resina aniónica y el cloro ataca la resina catiónica. Por esta razón en general se recomienda un pretratamiento de agua antes de entrar a la unidad de intercambio iónico. Algunas veces será conveniente tratar previamente el agua residual con filtración y coagulación. La técnica de intercambio iónico se puede utilizar eficientemente para la purificación del agua entre 1.000-3.000 mg/L de sólidos totales disueltos. Algunos productos como tiourea y fosfatos afectan el funcionamiento del intercambio iónico y no se pueden eliminar fácilmente de la resina, en este caso es conveniente montar un filtro de carbón activado.



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2.2. GENERALIDADES DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES DE LOS DIFERENTES SECTORES.

2.2.1. INDUSTRIA DE BEBIDAS

2.2.1.1. Bebidas carbonatadas Las bebidas carbónicas o gaseosas son esencialmente agua cargada con dióxido de carbono a la que se le ha añadido azúcar y algún ácido, una materia colorante y un agente de sabor. Para que se conserve el gas, se envasa la bebida gaseosa en recipientes herméticamente cerrados. Ingredientes Saborizantes, estos son extractos alcohólicos, emulsiones, soluciones alcohólicas o

jugos de frutas. Algunos saborizantes se suelen preparar disolviendo los aceites esenciales en el alcohol y disolviéndolo con agua. Además de los saborizantes se usan otras sustancias para mejorar el sabor y el aroma del refresco como por ejemplo cafeína.

Ácidos, dentro de estos hay varios:

Ácido cítrico: Se extrae de los frutos cítricos y se utiliza en la mayoría de las bebidas.

Ácido fosfórico, es el acidulante más económico, no solo por su bajo costo, sino también porque es muy potente. Se usa principalmente en las bebidas estilo “cola”.

Ácido tartárico: es un subproducto de la elaboración del vino. El sabor ácido de la bebida depende de la concentración de iones de hidrogeno. Se añade ácido a las bebidas para modificar la dulzura del azúcar y para preservarlas. Color natural y sintético Caramelo: Es un color vegetal que se prepara quemando azúcar de maíz, generalmente con una solución amónica como catalizador. Para poder utilizarlo en las bebidas carbónicas, este debe ser estable con los ácidos, debe tener potencia tintórea suficiente, contener menos de 3% de ceniza y no tener ni color ni olor desagradable. Color sintético. Se utilizan colores sintéticos para la elaboración de las bebidas de frutas. Preservativos



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La mayoría de las soluciones se conservan bien con el ácido que lleva el refresco y con el gas carbónico, los cuales evitan la fermentación, los hongos y las bacterias. Los refrescos que contienen zumos de fruta se conservan con benzoato de sodio. Agua El agua de abastecimiento público contiene algunas veces sustancias minerales y vegetales que las hacen inadecuada para bebidas gaseosas. El agua debe ser límpida, incolora e inodora, no contener bacterias, que su alcalinidad sea menor de 50 ppm, que contenga menos de 500 ppm de sólidos totales y menor de 0.1 ppm de hierro o manganeso. El agua que contiene materia en suspensión no se carbonata fácilmente, y las bebidas que con ella se preparan se desgasifican rápidamente. Los olores alteran el sabor de la bebida y a menudo la hacen sumamente desagradable. Las algas y otros organismos acuáticos producen sabores raros y sedimentos, la alcalinidad de mas de 50 ppm neutraliza bastante ácido del refresco, lo cual reduce la conservación de la bebida. Los sólidos disueltos totales mayores de 500 ppm le da un sabor alcalino a la bebida. El hierro y el manganeso pueden formar sedimento y sabores extraños. El agua del abastecimiento público se trata en la planta embotelladora para purificarla. Comprobación de la calidad Se hacen determinaciones de densidad del jarabe y de la bebida gaseosa acabada, se determina el grado de carbonatación por la presión del gas y la temperatura. Cambios en el color, olor o sabor de la bebida gaseosa pueden ser ocasionados por cambios físicos, químicos o microbiológicos. Las alteraciones físicas pueden ser ocasionadas por el calor o la luz solar afectando el sabor de la gaseosa, las altas temperaturas aceleran las reacciones químicas, y por tanto se pierde la frescura. Las alteraciones químicas son: oxidación, acción enzimática, reacción de cloro libre, saponificación de esteres, hidrólisis y reacciones químicas de los saborizantes y desintegración de la molécula compleja del caramelo. Las bebidas gaseosas bien preparadas no fomentan la multiplicación de bacterias, pues el gas carbónico y el ácido no lo permiten. Durante la proceso de elaboración de los jarabes puede haber contaminación. La contaminación con metales produce un efecto notable en el sabor. Los olores extraños procedentes de un mal manejo de limpieza en la planta también afectan el sabor de las bebidas. Lo anterior significa que en una industria alimenticia es muy importante la limpieza y desinfección de los procesos. Para prevenir la contaminación se han desarrollado los Clean In Place (CIP), esta limpieza requiere un preenjuague para remover productos y suciedad seguido de la limpieza y un enjuague posterior. Hay dos tipos de tratamiento de limpieza: 1. Dos etapas de limpieza usando ácido y álcali comúnmente hidróxido sódico seguido de un enjuague y la otra etapa de limpieza con ácido nítrico o ácido fosfórico.



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Una única etapa de limpieza formulada con detergentes, los cuales contienen

superficies activas y agentes quelantes.

2.2.1.2. Cerveza La cerveza es la bebida resultante de fermentar, mediante levaduras seleccionadas, el mosto procedente de la malta de cebada, sola o mezclada con otros productos amiláceos transformables en azúcares por digestión enzimática, cocción y aromatización con flores de lúpulo, extractos y concentrados. Proceso general de fabricación de cerveza 1. Malteado de la cerveza: La cebada se almacena en silos para luego limpiarlos, clasificarlos y preparar los granos para la germinación en agua, en esta fase las proteínas, el almidón y otras sustancias se liberan. Para detener la germinación se calienta en hornos de tal forma que el contenido de humedad pasa del 42-45% a solo un 3-5%. De esta forma se corta el desarrollo del germen y la actividad enzimática. 2. Producción del mosto: Lo primero que se hace aquí es triturar la malta para separar la cáscara, estas servirán después como filtros para la separación del mosto. Luego esta malta triturada se mezcla con agua para su maceración y desdoblamiento del almidón y las proteínas. Luego se hace la separación del mosto del bagazo y se somete el mosto a calentamiento para esterilizarlo, extraer las sustancias amargas y por último se procede su enfriamiento. 3. Fermentación del mosto: El mosto que viene del paso anterior se le agregan las levaduras necesarias para su fermentación. Las levaduras usan los azúcares del mosto para su crecimiento y multiplicación dando como resultado la formación de alcohol y anhídrido carbónico. Una vez terminada la fermentación se deja que sedimenten las levaduras para seguir con la maduración. 4. Clarificación, pasterización: A la cerveza madurada se le elimina el 99% de la levadura presente. La cerveza filtrada pasa a ser pasterizada para eliminar cualquier microorganismo patógeno que pueda estar presente y así afectar la calidad de la cerveza y la salud del consumidor final. 5. Embotellado: La cerveza ya pasterizada pasa a los túneles para su embotellado. En donde las botellas se lavan en las lavadoras siendo llenadas, tapadas, etiquetadas y puestas en cajas.

Problemas biológicos y de desecho en el proceso de fabricación de bebidas. En casi todos los medios que rodean al hombre se hallan microorganismos. Los que se encuentran en los sistemas de fabricación de bebidas son patógenos, su presencia en el agua puede crear condiciones que afecten la calidad del producto terminado.



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En las fabricas de bebidas se encuentran medios favorables para la proliferación de microorganismos ya que las aguas contienen productos como azucares, almidón, colas y otras sustancias con valor nutritivo para los microbios afectando la calidad de la bebida. Además de los problemas que se pueden generar en el proceso se encuentran el causado por las descargas residuales ya que estas producen efectos nocivos en las corrientes de agua y en la comunidad de las siguientes formas: Consumo de oxigeno en las corrientes de agua, DBO, afectando la vida acuática. Contenido de sustancias tóxicas (CIP). Sólidos en suspensión como colorantes y almidones. Sólidos disueltos como sales alcalinas y sulfatos. Sólidos flotantes como basuras, animales, etc. El volumen de agua generada en la industria de bebidas, excepto los CIP no posee cantidad apreciable de materias tóxicas. Toda el agua que interviene en el proceso, salvo la empleada en la fabricación del producto terminado se vierte al alcantarillado. La industria de bebidas consume gran cantidad de agua en sus procesos. El uso de esta agua se da principalmente en: preparación de químicos, refrigeración de bombas, torres de enfriamiento, caldera, lavados, retrolavados, preparación de las bebidas, etc. Las características de las ARI de bebidas pueden resumirse de la siguiente forma: DBO y DQO: en algunos casos puede ser considerables. Aceites y grasas. Sólidos suspendidos totales y Sólidos disueltos totales. Contenido de nitrógeno y fósforo. PH. La cantidad de material contaminante se genera en las siguientes fases del proceso: Lavados, limpieza de equipos y escapes. Aguas de enfriamiento y calentamiento, estas aguas se reciclan por medio de torres

de enfriamiento, las cuales generalmente son corrosivas y poseen contaminación microbiológica por bacterias.

Lavado de botellas El lavado y esterilización de las botellas se efectúa con una solución alcalina caliente y después se enjuaga con agua potable. La solución alcalina se compone de sosa cáustica, carbonato de sodio, fosfato trisódico y metasilicato sódico. La sosa es el principal ingrediente porque tiene mayor virtud germicida, y de ahí que la duración y la temperatura de la esterilización de las botellas depende casi exclusivamente del contenido de sosa cáustica.



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Diagrama de flujo del proceso Producción de cerveza y malta H2O potable Producción de bebidas gaseosas

H2O potable Producción de agua potable H2O potable

Almacenamiento

Prep. jarabe

Embotellado

Ozonización Embotellado

Malteado de la cebada

Fermentación y maduración

Producción del mosto

Clarificación y pasterización

Embotellado



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2.2.2. INDUSTRIA DE ACABADO TEXTIL

2.2.2.1. Lavanderías industriales El proceso de producción comprende las siguientes fases: Proceso de desteñido: Zona húmeda: En este proceso la principal materia prima es el agua y comprende las siguientes etapas: Etapa de desengomado enzimático: Aquí se desdobla el almidón (goma) y las grasas

adheridas a la tela con el uso de enzimas alfa amilasa. Este proceso se lleva a cabo a un pH de 8.0 - 8.5 y una temperatura de 70 °C.

Etapa de desgaste: aquí las piezas se someten a un efecto mecánico en contacto con

piedra pómez y enzimas celulasa para mejorar la abrasión y remover el colorante de la prenda y degradar las fibras de la prenda. Este proceso se realiza a pH 5.5 y temperatura de 60 AC.

Etapa de decolorado: Aquí se utiliza hipoclorito de sodio, soda cáustica, bisulfito de

sodio, detergentes y dispersantes, con el fin de quitar el color hasta las condiciones requeridas por el proceso. El pH es de 9 y a 40 °C.

Etapa de neutralización: en este proceso se neutraliza el cloro residual usando

bisulfito de sodio a pH 5 y a 60 °C. Etapa de acabado: aquí se le da el aspecto final a las prendas usando peróxido de

hidrogeno y soda cáustica a pH 9 y a 60 °C. Etapa de suavizado: Se utiliza un suavizante para las prendas a pH 5 y 40 °C. Después de cada etapa se realiza el enjuague en las etapas que así lo requieran, con el fin de retirar los restos de los compuestos químicos adheridos y evitar contaminar la etapa siguiente.



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Proceso de teñido Etapa de descrude: Las prendas se preparan con un detergente alcalino para la etapa

de tintura, esta se realiza a 70 °C y pH 10. Etapa de tintura: se usan colorantes tipo reactivo, sal yodada y álcali orgánicos. Etapa de jabonado: Aquí se remueve el colorante hidrolizado con productos químicos

a 80 °C y pH 7. Etapa de suavizado: Se utilizan productos suavizantes catiónicos a 40 °C y pH 5. Etapa de centrifugado: Aquí se elimina la mayor cantidad contenida en las prendas Etapa de secado: Aquí se elimina el agua residual de las prendas, se realiza por

evaporación. Etapa de terminado: Aquí se realiza la clasificación de las prendas por referencia, se

pulen y aplanchan para su destino final. Después de cada etapa se realiza el enjuague en las etapas que así lo requieran, con el fin de retirar los restos de los compuestos químicos adheridos y evitar contaminar la etapa siguiente. Producción de aguas residuales Las descargas residuales producen efectos nocivos en las corrientes de agua y en la comunidad de las siguientes formas: Consumo de oxigeno en las corrientes de agua, DQO, afectando la vida acuática Contenido de sustancias tóxicas. Sólidos suspensión como colorantes y almidones. Sólidos disueltos como sales alcalinas y sulfatos. Sólidos flotantes como piedra pómez, fibras, etc.

El gran volumen de agua generada en la industria del acabado textil, no posee cantidad apreciable de materias tóxicas. Toda el agua que interviene en el proceso, se vierte al alcantarillado. La industria del acabado textil consume gran cantidad de agua en sus procesos. El uso de esta agua se da principalmente en: preparación de químicos, lavados, retrolavados, desengome, desgaste, decolorado, neutralizado, enjabonado, centrifugado, etc.



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Diagrama de flujo del proceso de global de Desteñido y teñido Proceso de desteñido Proceso de teñido Prendas Agua y químicos Prendas Agua y químicos

Desengomado

Desengrase

Enjuague

Desgaste

Enjuague

Decolorado

Neutralizado

Enjuague

Acabado

Suavizado

Centrifugado

Secado

Descrude

Enjuague

Enjuague

Enjuague

Enjuague

Jabonado

Tintura

Suavizado

Centrifugado

Secado

Terminado



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2.2.3. INDUSTRIA DEL RECUBRIMIENTO METÁLICO Un proceso de recubrimiento metálico, consta de diferentes etapas de preparación de la superficie. Una instalación esta compuesta de cubas, las cuales almacenan baños de preparación y de recubrimiento seguido de cubas de enjuague. La secuencia típica de una instalación de este tipo incluye las siguientes etapas:

Desengrase / enjuague: Las piezas que poseen grasa se someten a un proceso de

desengrase en soluciones alcalinas o agentes desengrasantes ácidos. No se suelen usar desengrasantes orgánicos. Después del desengrase las piezas se enjuagan en una cuba con agua para evitar el arrastre de las soluciones de desengrase a la etapa siguiente.

Decapado ácido / enjuague: El decapado sirve para eliminar el óxido y la calamina presentes comúnmente en la superficie metálica y obtener de esta forma una superficie limpia. Normalmente se usa el ácido clorhídrico o sulfúrico o bien una mezcla de ambos. Para materiales especiales es posible la utilización de ácido sulfámico, fluobórico, etc. La concentración de los decapados es normalmente del 50% de ácido debidamente inhibido para evitar un excesivo ataque al material de la pieza. Al ir aumentando la concentración de impurezas en el baño, la eficacia del decapado decrece. Para mantener la concentración del baño dentro de los límites adecuados para su uso, éste tiene que ser realimentado mediante reposición de ácido nuevo en cantidades variables en función del nivel de contaminación e incluso con este aporte el baño llega a agotarse y se convierte en un residuo a eliminar. Después del decapado las piezas se enjuagan en una cuba con agua para evitar el arrastre de ácido a las siguientes etapas del proceso.

Baño de recubrimiento metálico: El tratamiento con sales tiene por objeto darle un acabado decorativo a las piezas, mejorar las propiedades químicas de estas para protegerlas contra la corrosión o cambiar alguna propiedad superficial como dureza, conductividad, entre otras. Hay diferentes acabados de recubrimiento entre otros podemos citar, latón, oro, níquel, cromo, galvanizado, etc.

Enjuague estanco: Después del tratamiento con las sales en el baño de recubrimiento

las piezas se enjuagan en una cuba de agua para limpiar la pieza de residuos procedentes del baño anterior y utilizarlo para reponer pérdidas de nivel el caso de que baje el nivel de los baños de recubrimiento.

Enjuague: Después de que las piezas pasan por el enjuague estanco, las piezas

todavía tienen residuos de las sales de recubrimiento, para dejar la pieza totalmente libre de residuos se enjuagan en una cuba de agua corriente

Secado: las piezas después de tener el acabado final normalmente se lacan y secan

para proseguir a su embalaje y disposición final.



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CARACTERÍSTICAS DE LOS BAÑOS DE RECUBRIMIENTO Tabla 8. Baños electrolíticos.

Metal depositado

Tipo Composición (gr/L) Temperatura pH

Cadmio Alcalino Oxido de cadmio: 37,5 Cianuro de sodio: 100 Sulfato de níquel: 2

Ambiente 13

Cobre Alcalino Cianuro de sodio: 37,5 Cianuro de cobre: 30 Sal de Rochelle: 50 Carbonato de sodio: 38

50 C 12-13

Cobre Ácido Sulfato de cobre: 200 Ácido sulfúrico: 27,5ml/l

Ambiente 4-4,5

Cromo Ácido Ácido crómico: 250 Ácido sulfúrico: 2,5

40-50C 2,5-3,0

Estaño Ácido Sulfato estañoso: 60 Ácido sulfúrico: 75 Sulfato de sodio: 100 Gelatina: 2 Naftol: 1

Ambiente 2,5

Latón Alcalino Cianuro de cobre: 30 Oxido de cinc: 7,7 Cianuro de sodio: 11 Hidróxido de amonio: 3

Ambiente 10,5-11,5

Níquel Ácido Sulfato de níquel: 300 Cloruro de níquel: 60 Ácido bórico: 5 Sacarina: 1,5 Tiourea: 0,1 Lauril sulfon sod: 0,5

45-50C 4,2-4,8

Cinc Alcalino Oxido de cinc: 60 Cianuro de sodio: 22,5 Hidróxido de sodio: 52,2 Trióxido de molibdeno: 0,5 Sulfuro de sodio: 3,5 Gelatina: 2

Ambiente 13

Cinc Ácido Cloruro de cinc: 3 5 Cloruro de potasio: 180 Ácido bórico: 25 Abrillantadores: 30ml/L

Ambiente 5,7

La principal aplicación del cobre es como subcapa para el niquelado de metales. Rara vez se utiliza como acabado final salvo en electrónica. Materiales base de hierro, aluminio y zámak se les debe dar una capa previa de cobre cianurado antes de ser llevados a baños posteriores para facilitar la adherencia del recubrimiento siguiente.

En los baños cianurados de cinc electrolítico la pureza del recubrimiento es muy buena con una deposición más densa, uniforme y regular.



37

Los recubrimientos de latón son eminentemente decorativos y su aplicación técnica es mínima, salvo como subcapa para los recubrimientos de acero con caucho y gomas en los que, gracias al latonado, la adherencia del caucho es muy buena. El acabado de latón al igual que el del cobre se mancha en contacto con el aire atmosférico. Este problema hace que las piezas latonadas necesiten un paso adicional. Estos tratamientos previos pueden ser: Cromatizado: se emplean capas de conversión crómicas que depositan una finísima

película protectora. No se recomienda el cromatizado cuando la superficie latonada se recubre con hule.

Inhibición: tratando las superficies con soluciones de sustancias como el

benzotriazol, que forman una película pasiva por reacción con el cobre. Lacado: Las lacas más efectivas contra el moteado del latón son las de poliuretano

las cuales presentan incluso, gran resistencia al rayado. Una cocción de la superficie lacada en aire, preferiblemente seco produce un endurecimiento de la misma.

Los tipos de vertido que se pueden dar en una instalación galvánica son:

Vertidos discontinuos diluidos: Estos vertidos son los procedentes de sumergir las piezas en cubas de agua estanca con el fin de diluir al máximo la película de baño que las piezas llevan adherida en todo momento. El agua contenida en algunas de estas cubas se renueva periódicamente.

Vertidos discontinuos concentrados: Son, en su mayor parte, los procedentes de los

baños de desengrases, neutralizados y pasivados agotados. Se dice que un baño se agota, cuando deja de ejercer la función para la cual se preparó. En el caso de los baños de desengrase esto ocurre fundamentalmente por acumulación de aceites libres y emulsionados. En el caso de los baños ácidos de pasivado y neutralizado ocurre por acumulación de metal disuelto, así como de sus sales. Estos baños, una vez agotados, son renovados con una periodicidad que oscila entre una semana y tres meses, en función del tipo de baño.

Vertidos continuos: Son vertidos que se generan en el proceso, ya que utiliza

una entrada constante de agua limpia a los enjuagues corrientes durante la jornada de trabajo, para evitar contaminar el baño siguiente con los productos químicos del baño anterior. Esta es la mayor fuente de consumo de agua en una empresa de recubrimiento metálico.

Calidad de los enjuagues. La revisión de la calidad obtenida en el sistema de enjuagues debe proporcionar: Evaluar si la calidad actual es óptima o si por el contrario pudiera ser mejorada. Constatar si se está derrochando agua y si se pudieran reducir los consumos actuales.



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Tener una referencia para constatar la incidencia que las medidas correctivas implantadas pudieran tener sobre la calidad de los enjuagues.

El tener un sistema adecuado de enjuagues permitirá diluir la película líquida que en todo momento llevan adheridas las piezas, con el fin de evitar: Contaminaciones de los baños subsiguientes. Manchado, ampollado y pelado de las piezas. Corrosión de las piezas. Se deben tener en cuenta algunos aspectos que son de interés para el buen desempeño del proceso de recubrimiento y del uso integral de los recursos: Los baños actúan como evaporadores y, por lo tanto, como concentradores. Si el agua

empleada para reemplazar la evaporada contiene cualquier clase de sólidos disueltos, estos no se evaporan; en esta forma se acumulan en el baño.

Las sustancias químicas que pasan de un proceso a otro podrán provocar la

contaminación de la solución del último proceso debido a la acumulación lenta de las impurezas y de los componentes químicos que provienen del proceso previo.

Cualquier reducción en las pérdidas de materias químicas se refleja inmediatamente en

la reducción directa de las cargas de material y en los costos de operación para el tratamiento de los residuos. Se logra una posterior reducción en los costos si se pueden recuperar algunas de las sustancias químicas perdidas inevitablemente en el proceso.

La mayor parte de las soluciones que se utilizan en estos procesos, se pueden mantener

activas mediante la filtración periódica o continua, o la purificación o adición de diversas sustancias químicas que sustituyan a las que ya no sirven, pero muchas de las soluciones que se utilizan en los procesos de acabado, o bien no pueden ser purificadas completamente o bien resulta antieconómico, en cuyo caso llega el momento en que hay que tirar la totalidad de la solución que se está utilizando en el proceso y preparar una nueva.

Siempre que sea posible debe evitarse la descarga de los baños concentrados de

cualquier tipo; en la actualidad es raro encontrar un baño galvánico en tan mala condición que deba ser descartado, pero los limpiadores, decapadores ácidos, y ciertas soluciones de inmersión se descargan de ordinario a intervalos programados.

Los materiales de desperdicio se originan en los baños de tratamiento y encuentran su camino al drenaje por uno de los siguientes medios: Descarga intencional. Perdida accidental, derrame o fugas. Vapor perdido en los sistemas de escape, humos de lavado, etc. Arrastre en el enjuagado. Perdidas en las limpiezas de filtros y bombas.



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Requerimiento de agua y de solución para el proceso. El agua necesaria para el proceso de revestimiento, en general, tiene cuatro usos, cada uno de los cuales requiere una calidad específica: Preparación de baños. Reposición de las pérdidas por evaporación en los baños. Agua para enjuague. Agua para enfriamiento y/o calentamiento.

Es tan importante controlar la calidad del agua utilizada para enjuagar como la del agua empleada para la preparación del baño, ya que cualquier ión presente en el agua de enjuagar encontrará la forma de penetrar en el tanque de recubrimiento y concentrarse allí. El material precipitado en el baño, la rugosidad en el material recubrierto y la baja eficiencia del recubrimiento son algunos efectos que las impurezas en el agua como el hierro, el calcio y el magnesio, causan sobre los baños. Las aguas para el proceso deben estar dentro de los rangos de pureza exigidos por cada proceso y por cada empresa, teniendo en cuenta la calidad del revestimiento, la posibilidad de tratamiento, los requisitos ambientales, costos generales, fuentes de abastecimiento, entre otros. La implementación de medidas de prevención de la contaminación ayudara a: Reducir las concentraciones de los parámetros característicos de los vertidos a límites

que no sean perjudiciales al medioambiente y que se ajusten a los límites normalizados. Reducir los consumos de agua de acuerdo con las filosofías de reciclaje y con objeto de

minimizar los costes de producción. Implantación de instalaciones que no supongan un sobrecoste en el proceso productivo. Asegurar la calidad y el control de la misma en los procesos productores de vertidos. Promover soluciones eficaces a los vertidos discontinuos de alto impacto ambiental y

económico. Dotar a las instalaciones de la versatilidad necesaria para su adaptación al progreso

técnico en cuanto a calidad y ambiente. Minimizar al máximo la posible producción de residuos en el tratamiento de los vertidos. Asegurar el mínimo coste de mantenimiento de las instalaciones de tratamiento de aguas

residuales. o Problemas de los desechos generados en el proceso de recubrimiento

metálico. Los problemas que se pueden generar en el proceso se encuentran en las descargas de aguas residuales ya que producen efectos nocivos en las corrientes de agua y en la comunidad de las siguientes formas: Consumo de oxigeno en las corrientes de agua, DQO, afectando la vida acuática Contenido de sustancias tóxicas ( cromo, níquel, cianuros, entre otros). Altos contenidos de sólidos en suspensión Sólidos disueltos. Grasas y aceites.



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Valores extremos de pH El gran volumen de agua generada en la de galvanoplastia posee cantidad apreciable de materias tóxicas como los cianuros, el cromo, níquel, arsénico, entre otros. Toda el agua que interviene en el proceso, salvo la empleada como vapor se vierte al alcantarillado. La industria de recubrimiento metálico consume gran cantidad de agua en sus procesos. El uso de esta agua se da principalmente en: preparación de baños, torres de enfriamiento, caldera, lavados, retrolavados, etc.



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Diagrama de flujo de proceso de recubrimiento metálico

Piezas

Desengrase

Enjuague

Decapado

Enjuague

Baño 1

Enjuague

Neutralizado

Enjuague

Baño 2

Enjuague

Terminado



42

Tabla 9. Muestreo de las aguas de proceso en varias empresas del sector de Galvanoplastia Empresa Parámetros Caudal (l/min)

Max. Min. pH

Max Min. Cianuros (mg/l)

Max Min Cromo (mg/l)

Max Min Níquel (mg/l)

Max Min Cobre (mg/l)

Max Min 1 2.2 0,15 4,78 3,85 277 6,06 1623 34,78 600 20 534 69 2 16.67 1,07 11,78 2,33 39 0,07 417 1,56 81 32 - - 3 35.96 2,24 12,33 2,01 99,67 23,4 189 33,53 62 18 90 20 4 31.37 0,61 12,14 2,10 185,5 72 - - 431 103 1 0,183 5 - - 12,44 1,41 226 80,6 - - 6832 372 29 0,16 6 - - 11,53 2,54 160 8,79 66,71 3,46 3 1,3 103 1,4 7 16.37 1,49 10,32 1,68 378 94,3 105 7,08 882 472 1000 141 8 22.77 0,55 10,83 0,71 79 38 34 2,2 1330 9,73 1,5 0,18 9 32.62 0,69 9,96 2,38 183,7 32,1 - - 267 6,3 115 74

10 9.2 0,19 12,57 1,12 176 136 7,86 3,4 - - - - 11 4.86 0,13 6,42 2,32 - - - - - - - - 12 21.56 1,65 11,13 5,39 49,9 22,05 22,05 1,89 245 499 499 47

Tabla 10. Muestreo de los baños agotados y que son vertidos regularmente. Empresa Baño agotado PH inicial Fe, mg/l Grasas y aceites, mg/l Frecuencia de renovación del baño

1 Decapado 1,06 450 - 1 - 2 meses 2 Desengrase > 10 - 1000 2 - 3 meses



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Tabla 11. Resumen General de los desechos generados en los sectores de acabado textil, Bebidas y Galvanoplastia. Industria Desechos Unidad de

producción Líquido circulado Gal/unidad

DBO, ppm

DBO, lb/unidad

Sólidos suspendidos ppm

Sólidos suspendidos Lb/unidad

Otros componentes

Galvanoplastia Decapados agotados Desengrases agotados Neutralizados

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

Ácidos, álcalis, metales pesados Y cianuros.

Textiles Lavado del algodón Desengomado de la seda Desprestado del algodón Blanqueo del algodón Mordentado del algodón Diferentes Teñidos

100 lb de géneros

116 850 110 115 336 3200

1.650 990

1.740 240 70

1.330

1,6 7,0 1,6 0,3 0,2 6,0

70 520 55 40 40 15

0,07 3,7

0,05 0,04 0,11 0,24

Álcalis Hierro, plomo, aluminio Álcalis, sulfuros, color

Bebidas Soluciones de limpieza



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3. METODOLOGÍA Y DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES Para alcanzar los objetivos propuestos en este proyecto de investigación, se realizan las siguientes actividades:

3.1. RECOPILACIÓN BIBLIOGRÁFICA Se realiza una revisión y análisis constante de material bibliográfico y literatura existente relacionada con el tema, por intermedio de las bibliotecas de las diferentes universidades que tengan estudios en este campo, centros de documentación y a través de los servicios de redes nacionales e internacionales, con el fin de recopilar y actualizar información de los adelantos tecnológicos que existen sobre la materia.

3.2. Selección de las empresas Se debe seleccionar una empresa de cada uno de los sectores industriales elegidos, el primer paso a seguir después de la elección de las empresas es ir a cada una y conocer su proceso de fabricación y los problemas específicos de cada una y los puntos susceptibles de ser reusadas.

Identificación de problemas • Etapas del proceso donde se utiliza agua. • Etapas del proceso donde se puede reducir la cantidad de agua y material

contaminante. • Establecer los criterios de la calidad del agua para cada una de las etapas del proceso.

3.4. Planteamiento de soluciones Al tener claramente los problemas identificados se procede a darle las soluciones más viables desde el punto de vista técnico y económico

3.5. Evaluación experimental de las tecnologías Para evaluar las tecnologías más viables a los problemas de la empresa, se debe tener en cuenta vario ítem:

3.5.1. Análisis de las propiedades físicas, químicas y microbiológicas del agua a tratar

A la muestra de agua inicial se le analizan los siguientes parámetros de caracterización



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• Sólidos totales (suspendidos y disueltos). • pH • Aniones. • Cationes. • materia orgánica. • Conteo de población microbiana. Los parámetros específicos a determinar dependen del tipo de industria y proceso.

3.5.2. Determinación de los parámetros de operación de las tecnologías

3.6 EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA

3.6.1. Determinación de los costos de operación, inversión inicial y retorno de la inversión

Al finalizar la experimentación a nivel planta piloto se procede a evaluar los costos de cada una de las tecnologías, para lo cual se tendrá en cuenta el costo de la inversión inicial, el de mantenimiento, de la mano de obra y el retorno de la inversión, además del ahorro obtenido por la disminución en los consumos de materias primas por la implementación de la tecnología.

3.6.2. Costo comparativo entre reusar y disposición final Comparar cada una de las tecnologías estudiadas a nivel planta piloto con el tratamiento de las aguas residuales para cumplir con las condiciones de vertido al cauce receptor, para lo cual se tendrá en cuenta el canon de vertido o tasa retributiva y el punto 3.6.1.

3.7. Informe final A cada una de las empresas participantes en el desarrollo del proyecto al finalizar la parte experimental se procederá realizar un informe final donde se reporten los resultados alcanzados en la experimentación y toda la información recolectada durante el desarrollo del proyecto. 4. RESULTADOS ESPERADOS • Minimización de la cantidad y tipo de contaminantes vertidos en las aguas residuales

industriales. • Posibilidad de recuperación y/o minimización de las materias primas utilizadas en el

proceso productivo. • Obtención de beneficios económicos al introducir tecnologías limpias



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• Mostrar a la comunidad en general el interés del sector industrial de mejorar sus procesos y de esta forma el impacto ambiental que estos pueden generar.

5. ESTRATEGIA DE DIVULGACIÓN DE RESULTADOS Y TRANSFERENCIA DE

TECNOLOGÍA • Se exponen los avances, adelantos y resultados de la investigación en seminarios o

congresos nacionales y/o internacionales. • Publicaciones de artículos en revistas especializadas como Chemical Engineering,

Ingeniería Química, Environmental Progress, y nacionales con divulgación internacional como Contaminación Ambiental.

• Organización de un curso relacionado con el tema de interés.



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6. TRAYECTORIA DEL GRUPO INVESTIGADOR

6.1. Experiencia de la U.P.B. en proyectos relacionados con el tema

6.1.1. Proyectos de investigación Nombre de la investigación: Evaluación técnica y económica para la recuperación y

reutilización de las aguas residuales industriales en procesos de recubrimiento metálico

Estado: Ejecutada (1996 – 1998) Dependencia: Centro de Investigaciones para el Desarrollo Integral (CIDI)

Entidad financiadora: Colciencias – U.P.B. – 12 empresas de galvanoplastia Resumen del proyecto: A las industrias participantes del proyecto se les realizo una

optimización de los procesos de recubrimiento metálico por medio de técnicas sencillas y de fácil implementación para luego evaluar las técnicas de tratamiento, como: destrucción de cianuros con hipoclorito, reducción y precipitación de cromo hexavalente con sulfito de sodio, neutralización de las aguas residuales industriales, osmosis inversa para los enjuagues de níquel, intercambio iónico para los enjuagues de cromo y de níquel y evaporación atmosférica para los recuperadores de níquel.

Logros obtenidos Reducción del consumo de agua entre un 50 y 70%

Reducción del consumo de químicos en un 30% Curso organizado Diplomatura en galvanoplastia



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Nombre de la investigación: Síntesis, caracterización y evaluación de zeolitas naturales y sintéticas como adsorbentes. Estado: Ejecutada (1990 – 1995) Dependencia: Centro de Investigaciones para el Desarrollo Integral (CIDI)

Entidad financiadora: Colciencias - U.P.B. - U.de.A Resumen del proyecto: Las propiedades de intercambio iónico y tamiz molecular

son aprovechadas con el fin de llevar a cabo estudios encaminados a la producción a partir de materia prima nacional, caracterización y evaluación de estas para la remoción de metales pesados.

Logros obtenidos Remociones hasta del 99% de plomo, del 70% de cobre y

del 60% de cinc. Además se obtuvo un modelo de evaluación de adsorción de la zeolita A.



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6.1.2.Trabajos de aplicación Nombre del trabajo: Estudio de impacto Ambiental para Cervunión Estado: Ejecutada (199 – 199) Dependencia: Centro de Investigaciones para el Desarrollo Integral (CIDI)

Entidad financiadora: Resumen del proyecto: Logros obtenidos



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Tabla 12. Relación del personal

Nombre Formación Institución Función Dedicación (dias/semana)

Ana Patricia Restrepo

Ingeniero químico Especialista Ing.

Ambiental

U.P.B Coordinador 0.5

Beatriz Cuartas. Ingeniero Químico. Master en Ambiental

U.P.B. Investigador Principal

4

Constanza Granados

Ingeniero Químico Candidato a Maestría

en carboquímica

U.P.B. Investigador principal

4

Por definir Estudiante Ing. Química U.P.B. Auxiliar 5

Por definir Estudiante Ing. Textil U.P.B Auxiliar 5

7. PLAN DE ACTIVIDADES El plan de actividades a seguir en el proyecto de investigación se relaciona en el cronograma de actividades presentado a continuación



51

Cronograma de Actividades

Actividades

Meses

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Recopilación bibliográfica Selección y visita de las empresas Identificación y planteamiento de problemas Evaluación de tecnologías Informe final



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Diagrama de Flujo del Proyecto

8. PRESENTACIÓN DE LA INFORMACIÓN

Recopilación bibliográfica

Selección de empresas

Visita a empresas

Identificación de reuso

Plantear soluciones

Evaluar tecnologías

Informe final



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Se entregarán las copias impresas del documento final solicitadas por las entidades financiadores y una copia en medio magnético en disquetes de 3.5 en ambiente Windows 98, acompañados de un instructivo con la descripción detallada del procedimiento a seguir para obtener nuevas reproducciones y de un índice con los contenidos de los discos que se suministren. El informe final incluye planos, gráficas, tablas, etc. También se presentarán anexos con un registro fotográfico y los resultados de los diferentes muestreos realizados durante la ejecución del estudio, entre otros. 9. RECURSOS FÍSICOS DISPONIBLES Los recursos físicos con que cuentan las tres (3) instituciones para alcanzar los objetivos trazados, se detallan en la tabla. Tabla 13. Recursos físicos disponibles en la Universidad Pontificia Bolivariana

Nombre del Laboratorio Equipo especializado disponible

Laboratorio de Estudios Químicos Evaluación de parámetros Físicos-

Químicos

• Polarógrafo1 • Absorción Atómica - AA • Espectrofotómetro de Infrarrojo2 - IR • Mufla • Horno • Balanza Analítica, sensibilidad 10-3g • Cromatógrafo de Gases - GC.

Nombre del Laboratorio Equipo especializado disponible

Laboratorio de Microbiología

• Cámara de Flujo Laminar • 2 incubadoras (37 °C y 44 °C) • Microscopio • Mufla • Autoclave • 2 cámaras de anaerobiosis

10. CONTACTOS NACIONALES E INTERNACIONALES Se tienen contactos con diferentes institutos en España que trabajan con tecnologías limpias, sobre todo en el campo de las membranas de microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, osmosis inversa, intercambio iónico entre otros, y algunos sectores de la 1 El equipo de polarografía fue adquirido por el CIDI gracias a la financiación obtenida por COLCIENCIAS para la realización del proyecto “Evaluación Técnica y Económica para Recuperar y Reutilizar las Aguas Residuales Provenientes de Procesos de Recubrimiento”. 2 El equipo de Espectroscopía Infrarroja fue adquirido por el CIDI gracias a la financiación obtenida por COLCIENCIAS para la realización del proyecto “Síntesis, Caracterización y Evaluación de Zeolitas Naturales y Sintéticas como Adsorbentes”.



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Industria con las cuales se han realizado proyectos y algunos que están en proceso. 11. COSTOS DEL PROYECTO Tabla 13. Presupuesto global de la propuesta (pesos) RUBRO TOTAL ($) DISCRIMINACIÓN DE LAS

PARTIDAS U.P.B Empresa Otras Personal 65.241.241 16.310.310 24.465.466 24.465.466 Equipos 52.000.000 27.000.000 0 25.000.000 Análisis de laboratorio 7.438.380 0 3.719.190 3.719.190 Transportes 500.000 0 500.000 0 Papelería 1.000.000 2.500.000 3.750.000 3.750.000 Costo total 128.812.383 44.218.501 30.046.941 54.546.941 % 34 24 42 Tabla 14. Presupuesto detallado del personal (pesos)

Personal Tiempo de dedicación (días)

Costo ($)

Coordinador (1) 27 5.106.181

Investigador (2) 236 38.833.229

Investigadores auxiliares (2) 94 8.301.831

Asesor externo (2) 42 15.632.761

TOTAL 67.874.003

Tabla 15. Presupuesto de los equipos (pesos)

Equipos Costo ($)

Membrana Osmosis 8.400.000



55

membrana osmosis 25.000.000

Microfiltración- 500.000

Ultrafiltración-nanofiltración 10.000.000

Intercambio ionico. 5.000.000

Conductimetros 1.000.000

pHmetros 1.000.000

TOTAL 77.000.000

Tabla 16. Otros costos (pesos)

Otros Costo ($)

Papelería 1.000.000

Análisis de laboratorio 7.438.380

Transporte terrestre 500.000

TOTAL 8.938.380



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BIBLIOGRAFÍA

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Federation, USA. pp.110 -112, 181. 2. KIRK Raymond, OTHMER Donald. 1961. Enciclopedia de Tecnología Química Vol. 3.

pp.67-77, 289-307. USA. 3. American Water Works Association Research Foundation. 1998. Tratamiento del agua

por procesos de membrana, principios, procesos y aplicaciones. Ed. McGraw-Hill. 823p. Madrid.

4. American Water Works Association, 1990. Water Quality and Treatment. Cuarta edición,

ed. McGraw-Hill. USA. Pp. 709-745, 1113-1150. 5. Clean Technology and the Environment, 1995. Primera edición, ed RC. Kirkwood and

A.J Longley. USA. pp.174 -274. 6. HALWAGI El MAHMOUD M. Synthesis of reverse osmosis networks for waste

reduction. En: Aiche Journal Vol. 38, No 8, Agosto 1992. pp. 1185-1198. 7. DAVIS M. Use advanced methods to treat wastewater. En: Hydrocarbon Processing

Vol. 73, No 8, Agosto 1994. pp. 43-46. 8. CARTWRIGHT Peter. Pollution prevention drives membranes technologies. En:

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Engineering, Abril 1994. 6p. 11. Nuevo Manual de Industrias Alimentarías. 1994. A. Madrid Vicente, Ediciones.

Madrid. pp. 285-370. 12. RITUPER Rafael. Proceso de regeneración de baños agotados de decapado. En:

Ingeniería Química, Julio, 1990, Vol. 22, No 256. pp. 125-129. 13. ALARGO Rafael. Recuperación de ácidos y metales mediante resinas. En: Ingeniería

Química, Junio, 1989, Vol. 21, No 243. Pp 199-206. 14. HAUB Eugene, FOUTH Gary. Mixed-Bed ion exchange at concentrations approaching

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15. LOPEZ MATEOS Federico et al. Mejora del procedimiento para la depuración de

aguas galvánicas con resinas de intercambio iónico. En: Ingeniería Química,



57

Septiembre, 1982, No 162. pp. 121-125.

INDICE 1. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA ...................... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................. ¡Error! Marcador no definido. 1.2. JUSTIFICACIÓN ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. 1.2.1. Científica y Tecnológica ............................................ ¡Error! Marcador no definido. 1.2.2. Social - Económico.................................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.2.3. Capacitación del grupo investigador .......................... ¡Error! Marcador no definido. 1.3. OBJETIVOS .................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.3.1. Objetivo general ........................................................ ¡Error! Marcador no definido. 1.3.2. Objetivos específicos ................................................ ¡Error! Marcador no definido. 1.4. ANTECEDENTES DEL PROYECTO ............................... ¡Error! Marcador no definido. 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 1 2.1. GENERALIDADES ......................................................................................................... 1 2.1.1. Generalidades de las tecnologías a evaluar ................................................................... 1 2.1.1.1. Definición de membrana .............................................................................................. 1 2.1.1.2. Clasificación de las membranas .................................................................................. 1 2.1.2. OSMOSIS INVERSA Y NANOFILTRACIÓN (OI/NF) ...................................................... 3 2.1.2.1. Configuración .............................................................................................................. 4 2.1.3. ULTRAFILTRACIÓN ..................................................................................................... 5 2.1.3.1. La ultrafiltración como pretratamiento para operaciones de membrana OI/NF......... 6 2.1.3.2. Configuraciones de membrana y modulo .................................................................... 7 2.1.3.3. Consideraciones especiales en la evaluación del proceso .......................................... 9 2.1.3.4. Pretratamiento de la UF............................................................................................ 10 2.1.4. MICROFILTRACIÓN (MF) ............................................................................................ 11 2.1.4.1. Aplicaciones de la microfiltración ............................................................................... 12 2.1.4.2. Selección del modulo de MF ..................................................................................... 12 2.1.4.3. Pretratamiento ........................................................................................................... 13 2.1.4.4. Requerimientos de bombas ....................................................................................... 14 2.1.4.5. Postratamiento .......................................................................................................... 14 2.1.4.6. Calidad del agua permeada ....................................................................................... 14 2.1.4.7. Operación y mantenimiento de la MF ........................................................................ 15 2.1.4.8. Prueba de integridad de la membrana ....................................................................... 15 2.1.4.9. Casos de estudio ....................................................................................................... 16 2.1.5. INTERCAMBIO IONICO ............................................................................................... 19 2.1.5.1 Naturaleza química de las resinas .............................................................................. 19 2.1.5.2 Clasificación de las resinas de acuerdo a los grupos funcionales ............................... 20 2.1.5.3. Propiedades del material ........................................................................................... 22 2.1.5.4 Secuencia de operación ............................................................................................. 23 2.1.5.5. Equipos de intercambio iónico ................................................................................... 25 2.2. GENERALIDADES DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES DE LOs DIFERENTES SECTORES. ................................................................................................... 27 2.2.1. INDUSTRIA DE BEBIDAS ............................................................................................ 27 2.2.1.1. Bebidas carbonatadas ............................................................................................... 27 2.2.1.2. Cerveza ..................................................................................................................... 29 2.2.2. INDUSTRIA DE ACABADO TEXTIL ............................................................................. 32 2.2.2.1. Lavanderías industriales ............................................................................................ 32 2.2.3. INDUSTRIA DEL RECUBRIMIENTO METÁLICO......................................................... 35

3. METODOLOGÍA Y DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES ................................................... 44 3.1. RECOPILACIÓN BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 44 3.2. Selección de las empresas ........................................................................................... 44 3.3. Identificación de problemas .......................................................................................... 44 3.4. Planteamiento de soluciones ........................................................................................ 44 3.5. Evaluación experimental de las tecnologías ................................................................. 44 3.5.1. Análisis de las propiedades físicas, químicas y microbiológicas del agua a tratar .. 44 3.5.2. Determinación de los parámetros de operación de las tecnologías .............................. 45 3.6 Evaluación técnica y económica ....................................................................................... 45 3.6.1. Determinación de los costos de operación, inversión inicial y retorno de la inversión ... 45 3.6.2. Costo comparativo entre reusar y disposición final ....................................................... 45 3.7. Informe final .................................................................................................................. 45 4. RESULTADOS ESPERADOS ......................................................................................... 45 5. ESTRATEGIA DE DIVULGACIÓN DE RESULTADOS Y TRANSFERENCIA DE TECNOLOGÍA ........................................................................................................................ 46 6. TRAYECTORIA DEL GRUPO INVESTIGADOR .............................................................. 47 6.1. Experiencia de la U.P.B. en proyectos relacionados con el tema .............................. 47 6.1.1. Proyectos de investigación ........................................................................................... 47 6.1.2.Trabajos de aplicación ................................................................................................... 49 7. PLAN DE ACTIVIDADES ................................................................................................. 50 8. PRESENTACIÓN DE LA INFORMACIÓN ....................................................................... 52 9. RECURSOS FÍSICOS DISPONIBLES ............................................................................. 53 10. CONTACTOS NACIONALES E INTERNACIONALES ..................................................... 53 11. COSTOS DEL PROYECTO ............................................................................................ 54 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 56

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