Nomenclatura Inorgánica

Trabajo Final

Presentado por:

Lumar Jesús Osorio - 1144066986

Viviana Marcela Carvajal - 1098700398

Oscar Iván Espinosa – 12182225

Yamid Rodrigo Valencia-16289043

Presentado a:

Diego Ballesteros

Grupo:

401586_2

Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD

Noviembre 29 de 2015

Introducción

El siguiente trabajo es una actividad colaborativa de los estudiantes del curso de nomenclatura inorgánica de la universidad nacional abierta y a Distancia (UNAD)

En este trabajo se relacionan los principios de actividades químicas, las funciones inorgánicas y los procesos industriales.

Para estar más claro se tratan dos temas de procesos industriales, como el proceso de purificación de aguas con ozono y producción de cementó en estado sólido.

Producción de cemento en estado solido

La síntesis del cemento se realiza por un proceso llamado síntesis en estado sólido, en el que se utilizan materiales como caliza y arcilla que al ser procesados durante largo tiempo y a altas temperaturas son los que emiten grandes cantidades de dióxido de carbono. El objetivo de Restrepo es lograr una síntesis en estado químico, con la que se pueda producir el mismo cemento pero a partir de un proceso diferente, que emite mucho menos CO2 y que además requiere una temperatura de tan sólo de 280°C.

En 2010, la producción mundial de cemento hidráulico fue de 3.300 millones de toneladas. Los tres principales productores fueron China, con 1.800, la India, con 220, y EE.UU., con 63,5 millones de toneladas para un total combinado de más de la mitad del total mundial por tres estados más poblados del mundo.

Para la capacidad mundial para producir cemento en 2010, la situación era similar con los tres principales estados (China, India y Estados Unidos) representan algo menos de la mitad del mundo la capacidad total.

Durante 2011 y 2012, el consumo mundial siguió aumentando, llegando a 3.585 millones de toneladas en 2011 y 3.736 millones de toneladas en 2012, mientras que las tasas de crecimiento anual bajó a 8,3% y 4,2%, respectivamente.

China, que representa una parte creciente del consumo de cemento del mundo, sigue siendo el principal motor del crecimiento mundial. Para el año 2012, la demanda china se registró a 2.160 millones de toneladas, lo que representa 58% del consumo mundial. Tasas de crecimiento anual, que alcanzó el 16% en 2010, parecen haber suavizado, disminuyendo a 5.6% durante 2011 y 2012, ya que la economía de China se dirige a una tasa de crecimiento más sostenible.

Fuera de China, el consumo en todo el mundo subió un 4,4% a 1.462 millones de toneladas en 2010, un 5% a 1.535 millones de toneladas en 2011, y finalmente un 2,7% a 1.576 millones de toneladas en 2012.

Irán es ahora la tercera mayor productora de cemento en el mundo y ha aumentado su producción en más de un 10% entre 2008 y 2011. Debido a subir los costos de energía en Pakistán y otros principales países productores de cemento, Irán es una posición única como socio comercial, utilizando su propio excedente de petróleo para alimentar plantas de clínker. Ahora, un productor en el Medio Oriente, Irán está aumentando aún más su posición dominante en los mercados locales y en el extranjero.

El desempeño en América del Norte y Europa durante el período 2010-12 contrasta notablemente con la de China, ya que la crisis financiera mundial se convirtió en una crisis de deuda soberana para muchas economías de la región y la recesión. Los niveles de consumo de cemento para esta región cayeron un 1,9% en 2010 a 445 Mt, se recuperó un 4,9% en 2011, y luego cayeron de nuevo en un 1,1% en 2012.

El rendimiento en el resto del mundo, que incluye muchas de las economías emergentes de Asia, África y América Latina y que representa parte de la demanda de cemento 1.020 millones de toneladas en 2010, fue positiva y compensó con creces los descensos en América del Norte y Europa. El crecimiento anual del consumo se registró en el 7,4% en 2010, moderando hasta el 5,1% y el 4,3% en 2011 y 2012, respectivamente.

Al cierre del ejercicio 2012, la industria del cemento mundial consistió en 5673 las instalaciones de producción de cemento, incluyendo tanto la integrada y la molienda, de los cuales 3.900 se encontraban en China y 1773 en el resto del mundo.

La capacidad total de cemento en todo el mundo se registró a 5.245 millones de toneladas en 2012, con 2.950 Mt ubicada en China y 2.295 millones de toneladas en el resto del mundo.

China

"Durante los últimos 18 años, China consistentemente ha producido más cemento que cualquier otro país en el mundo. [...] (Sin embargo,) la exportación de cemento de China alcanzó su máximo en 1994 con 11 millones de toneladas enviadas a cabo y ha estado en disminución constante desde entonces . Sólo 5,18 millones de toneladas fueron exportadas fuera de China en 2002. Se ofrece en $ 34 por tonelada, cemento china es el precio en sí fuera del mercado como Tailandia pide tan poco como $ 20 para la misma calidad”.

En 2006, se estimó que China fabrica 1.235 millones de toneladas de cemento, que era el 44% de la producción de cemento total mundial. "Se espera que la demanda de cemento en China para avanzar un 5,4% al año y superior a 1 mil millones de toneladas en 2008, impulsado por la desaceleración, pero el crecimiento saludable en los gastos de construcción. Cemento consumida en China ascenderá a 44% de la demanda mundial, y China seguirá siendo el consumidor nacional más grande del mundo de cemento por un amplio margen. "

En 2010, 3,3 millones de toneladas de cemento se consumen a nivel mundial. De esta cifra, China representó el 1,8 millones de toneladas.

PRODUCCION MUNDIAL DE CEMENTO POR PAIS

Rango País / Región m en millones de toneladas

- MUNDIAL PRODUCCION 2310

1 República Popular de China 1038

2 India 217

3 Estados Unidos 100

4 Japón 69

5 IRAN 65

6 Corea del Sur 51

7 España 50

8 Rusia 48

9 Italia 46

De 10 Turquía 42

11 Tailandia 37

12 Indonesia 37

13 Brasil De 36

14 México De 36

15 Alemania 30

16 Egipto 29

17 Vietnam 29

18 Arabia Saudita 26

19 Francia 21

20 Bangladesh 20

21 Pakistán 18

22 Malasia 17.8

23 Grecia 15

Rango País / Región m en millones de toneladas

24 Canadá 14.1

25 Filipinas 13

26 Sudáfrica 13

27 Polonia 12.6

28 Ucrania 12.1

29 Reino Unido 11.4

30 Colombia 11,3 [1]

31 Marruecos 11

32 Venezuela De 10

33 Argelia 9

34 Australia 9

35 Portugal 9

De 36 Emiratos Árabes Unidos 8

37 Argentina 7.5

38 Perú 7

39 Bélgica 7

40 Túnez sesenta y cinco

41 Corea del Norte 5.7

42 República de China 5.1

43 Uzbekistán 5

44 Siria 4.8

45 Austria 4.7

46 Rumania 4.6

47 Jordán 4

48 Suiza 4

Rango País / Región m en millones de toneladas

49 Irlanda 4

50 Israel 4

51 Chile 3.9

52 República Checa 3.9

53 Kazajstán 3.9

54 Libia 3.6

55 Croacia 3.5

56 Hungría 3.5

57 Eslovaquia 3.4

58 Líbano 3.3

59 Bielorrusia 3.1

60 Ecuador 3.1

61 Irak 3

62 Kuwait 2.7

63 República Dominicana 2.6

64 Suecia 2.6

sesenta y cinco Omán 2.5

66 Países Bajos 2.4

67 Nigeria 2.4

68 Dinamarca 2.2

69 Serbia 2.2

70 Kenia 2.1

71 Bulgaria 2.1

72 Costa Rica 2

73 Honduras 2

Rango País / Región m en millones de toneladas

74 Ghana 1.9

75 Chipre 1.8

76 Guatemala 1.8

77 Senegal 1.7

78 Etiopía 15

79 Yemen 15

80 Azerbaiyán 15

81 Noruega 15

82 Bolivia 1.4

83 El Salvador 1.4

84 Katar 1.4

85 Tanzania 1.3

86 Cuba 1.3

87 Finlandia 1.3

88 Eslovenia 1.2

89 Sri Lanka 1.1

90 Nueva Zelanda 1.1

91 Uruguay 1

92 Hong Kong 1

93 Bosnia y Herzegovina 1

94 Camerún 1

EFECTOS AMBIENTALES DEL PROCESO DE PRODUCCION DEL CEMENTO

La concentración de carbono en el cemento se extiende desde ≈5% en las estructuras de cemento para ≈8% en el caso de las carreteras de cemento. La producción de cemento libera CO2 en la atmósfera tanto de forma directa cuando el carbonato de calcio se calienta, la producción de cal y dióxido de carbono, y también indirectamente a través del uso de energía si su producción implica la emisión de CO2. La industria del cemento produce alrededor del 5% de CO2 artificiales globales 2 emisiones, de los cuales 50% es del proceso químico, y 40% a partir de la quema de combustible.

La cantidad de CO2 emitido por la industria del cemento es de casi 900 kg de CO2 por cada 1000 kg de cemento producido. En la Unión Europea el consumo específico de energía para la producción de clinker de cemento se ha reducido en aproximadamente un 30% desde la década de 1970. Esta reducción de las necesidades de energía primaria es equivalente a aproximadamente 11 millones de toneladas de carbón al año con beneficios correspondientes en la reducción de CO 2 emisiones. Esto representa aproximadamente el 5% de CO antropogénico 2.

La alta proporción de dióxido de carbono producido en la reacción química conduce a una gran disminución de la masa en la conversión de la piedra caliza al cemento. Por lo tanto, para reducir el transporte de materias primas más pesados y reducir al mínimo los costos asociados, es más económico para plantas de cemento a estar más cerca de las canteras de piedra caliza en lugar de a los centros de consumo.

En ciertas aplicaciones, mortero de cal reabsorbe la misma cantidad de CO2 que fue lanzado en su fabricación, y tiene un requerimiento de energía más baja en la producción de cemento de la corriente principal. Tipos de cemento de nuevo desarrollo de Novacem y la Eco-cemento puede absorber el dióxido de carbono del aire ambiente durante el endurecimiento. El uso del ciclo de Kalina durante la producción puede también aumentar la eficiencia energética.

Las emisiones de metales pesados en el aire

En algunas circunstancias, dependiendo principalmente sobre el origen y la composición de las materias primas utilizadas, el proceso de calcinación a alta temperatura de piedra caliza y arcilla minerales puede liberar en los gases de la atmósfera y el polvo ricos en volátiles metales pesados, ao, talio, el cadmio y el mercurio son los más tóxicos. Metales pesados (Tl, Cd, Hg, ...) se encuentran a menudo como elementos traza en metales comunes sulfuros (pirita (FeS 2), blenda de cinc (ZnS), galena (PbS), ...) presentes como minerales secundarios en la mayoría de las materias primas. Existen regulaciones ambientales en muchos países para limitar estas emisiones. A partir de 2011 en los Estados Unidos, los hornos de cemento están "legalmente autorizados para bombear más toxinas en el aire que son los incineradores de residuos peligrosos."

Los metales pesados presentes en el clínker

La presencia de metales pesados en el clinker surge tanto de las materias primas naturales y de la utilización de reciclado subproductos o combustibles alternativos. El alto pH que prevalece en el agua intersticial del cemento (12.5 <pH <13,5) limita la movilidad de muchos metales pesados por la disminución de su solubilidad y aumentar su absorción en las fases minerales del cemento. Níquel, zinc y plomo se encuentran comúnmente en cemento en no despreciable concentraciones.

Materiales de uso de combustibles alternativos y subproductos

Una planta de cemento consume 3 a 6 por GJ de combustible por tonelada de clinker producido, dependiendo de las materias primas y el proceso utilizado. La mayoría de los hornos de cemento de hoy utilizan el carbón y el coque de petróleo como combustibles primarios, y en menor medida en el gas natural y el fuel oil. Residuos seleccionados y subproductos con valor calorífico recuperable se puede utilizar como combustible en un horno de cemento (en adelante, el co-procesamiento), en sustitución de una parte de los combustibles fósiles convencionales, como el carbón, si cumplen con estrictas especificaciones. Residuos seleccionados y subproductos que contienen minerales útiles, tales como calcio, sílice, alúmina y hierro puede ser utilizado como materia prima en el horno, en sustitución de materias primas tales como arcilla, pizarra y piedra caliza. Debido a que algunos materiales tienen tanto contenido mineral útil y valor calorífico recuperable, la distinción entre los combustibles y materias primas alternativas, no siempre está claro. Por ejemplo, los lodos de depuradora tiene un valor calorífico bajo pero significativo, y se quema para dar la ceniza que contiene minerales útiles en la matriz de Clinker.

El funcionamiento normal de los hornos de cemento proporciona condiciones de combustión que son más que adecuadas para la destrucción de incluso los más difíciles de destruir sustancias orgánicas. Esto se debe principalmente a las altas temperaturas de los gases del horno (2.000 ° C en los gases de combustión de los quemadores principales y 1100 ° C en el gas de los quemadores en el pre calcinador). El tiempo de residencia del gas a alta temperatura en el horno rotatorio es del orden de 5-10 segundos y en el pre calcinador más de 3 segundos.

Debido a la encefalopatía espongiforme bovina (EEB) en la industria europea de carne de res, el uso de productos de origen animal para alimentar el ganado está severamente restringido. Las grandes cantidades de carne de animales de residuos y la harina de hueso (MBM), también conocido como la harina de animales, tienen que ser eliminados de manera segura o transformado. La producción de los hornos de cemento, junto con la incineración, es hasta la fecha una de las dos formas principales para el tratamiento de este sólido efluente de la industria alimentaria.

ASPECTOS HISTORICOS DE LA PRODUCION DEL CEMENTO

Alrededor del año 1500 a.C. se encontró por primera vez que una pasta de Hidróxido de calcio y arena (mortero) se puede usar para pegar tabiques o piedras en la construcción de edificios. El material captura lentamente dióxido de carbono de la atmósfera, con lo cual el hidróxido de calcio se convierte de nuevo en el duro carbonato de calcio a partir del cual fue hecho:

Entre 100 A.C y 400 D.C., los romanos perfeccionaron el uso del mortero de cal para construir edificios y acueductos, muchos de los cuales todavía están en pie. También el siguiente descubrimiento importante fue obra de los romanos: si se mezcla ceniza volcánica con el mortero de cal se obtiene un producto mucho mejor. Este material fue el precursor de los cementos modernos. La producción de cemento es una de las industrias químicas modernas más grandes. La producción mundial es de alrededor de 700 millones de toneladas, de las cuales Estados Unidos produce ellO por ciento. El cemento se fabrica moliendo conjuntamente piedra caliza y pizarras (una mezcla de aluminosilicatos) y calentando la mezcla a unos 1500°C. La reacción química libera dióxido de carbono y funde parcialmente los componentes para formar terrones sólidos llamados clinker o escorias de cemento. Este material se muele hasta pulverizado y se mezcla con una pequeña cantidad de sulfato de calcio. Esta mezcla se conoce como cemento Portland. Químicamente, sus componentes principales son 26 por ciento de silicato dicálcico, Ca2Si04 , SI por ciento de silicato tricálcico, Ca3SiOs Y 11 por ciento de aluminato tricálcico, Ca3Al206' Cuando se agrega agua se llevan a cabo varias reacciones complejas de hidratación. Una reacción representativa idealizada se puede representar como

El silicato hidratado, llamado gel de tobermorita, forma resistentes cristales que se adhieren por medio de fuertes enlaces silicio-oxígeno a la arena y al conglomerado (pequeñas rocas) que se

mezclan con el cemento. Puesto que el otro producto de la reacción es hidróxido de calcio, la mezcla se debe tratar como material corrosivo durante el proceso de endurecimiento.

PROCESO DE FABRICACION CEMENTO TIPO PORTLAND

ASTM C150 define cemento Portland como "cemento hidráulico (cemento que no sólo se endurece por reacción con agua, pero también forma un producto resistente al agua) producido por la pulverización de clinker que consisten esencialmente en silicatos de calcio hidráulicos, por lo general contiene uno o más de las formas de calcio . sulfato como una adición entre tierra La norma europea EN 197-1 utiliza la siguiente definición:

Clinker de cemento Portland es un hidráulico el material que estará integrado por al menos dos tercios de la masa de silicatos de calcio (3 CaO · SiO2 y 2 CaO · SiO2), el resto consiste en aluminio y fases del clínker que contienen hierro y otros compuestos . La relación de CaO a SiO 2 no deberá ser inferior a 2,0. El contenido de óxido de magnesio (MgO) no será superior a 5,0% en masa.

(Los dos últimos requisitos ya se expusieron en el estándar alemán, publicado en 1909).

Clinker constituyen más del 90% del cemento junto con una cantidad limitada de sulfato de calcio (que controla el tiempo establecido) y hasta un 5% de componentes menores (rellenos) como los permitidos por diversas normas. Clinker son nódulos (diámetros, 0,2 a 1,0 pulgadas [5-25 mm]) de un material sinterizado que se produce cuando una mezcla en bruto de composición predeterminada

se calienta a alta temperatura. La reacción química clave que define cemento Portland de otras cales hidráulicas se produce a estas altas temperaturas (> 1300 ° C (2370 ° F) y es cuando el belita (Ca 2 SiO 4) se combina con óxido de calcio (CaO) para formar alita (Ca 3 SiO 5). [12]

Clinker de cemento Portland se hace por calentamiento, en un horno de cemento, una mezcla de materias primas a una calcinación temperatura superior a 600 ° C (1112 ° F) y luego una temperatura de fusión, que es de aproximadamente 1 450 ° C (2640 ° F) durante cementos modernos, que sinterizan los materiales en clinker. Los materiales en clinker de cemento son alita, belita, aluminato tricálcico, y tetra-calcio alumino ferrita. Las aluminio, hierro, y óxidos de magnesio están presentes como un flujo permitiendo que los silicatos de calcio para formar a una temperatura inferior [13] y contribuyen poco a la fuerza. Para cementos especiales, como pocas calorías (LH) y Sulfato resistentes (SR) tipos, es necesario limitar la cantidad de aluminato tricálcico (3 CaO · Al 2 O 3) formado. La materia prima importante para el clinker de decisiones es generalmente de piedra caliza (CaCO 3) mezclado con un segundo material que contiene arcilla como fuente de alumino-silicato. Normalmente, se utiliza una piedra caliza impura que contiene arcilla o SiO 2. El contenido de CaCO 3 de estas calizas puede ser tan bajo como 80%. Las materias primas secundarias (materiales en la mezcla en crudo que no sea la piedra caliza) dependen de la pureza de la piedra caliza. Algunos de los materiales utilizados son de arcilla, pizarra, arena, mineral de hierro, bauxita, vuelan cenizas y escoria. Cuando un horno de cemento se dispara por el carbón, la ceniza del carbón actúa como una materia prima secundaria.

Molienda de cemento

Para lograr las cualidades ajuste deseado en el producto acabado, una cantidad (2-8%, pero típicamente 5%) de sulfato de calcio (generalmente de yeso o anhidrita) se añade a la clinker y la mezcla se muele finamente para formar el polvo de cemento terminado . Esto se logra en un molino de cemento. El proceso de molienda se controla para obtener un polvo con una amplia gama de tamaño de partícula, en la que típicamente 15% en masa se compone de partículas por debajo de 5 m de diámetro, y 5% de las partículas por encima de 45 micras. La medida de la finura utilizado por lo general es la "superficie específica", que es el área de superficie de la partícula total de una unidad de masa de cemento. La velocidad de reacción inicial (hasta 24 horas) del cemento con la adición de agua es directamente proporcional al área de superficie específica. Los valores típicos son 320-380 m 2 · kg -1 para los fines generales cementos, y 450 a 650 m 2 · kg -1 de "endurecimiento rápidos" cementos. El cemento es transportado por la correa o la bomba de polvo a un silo para su almacenamiento. Las fábricas de cemento normalmente tienen espacio suficiente para un silo a 20 semanas de producción, dependiendo de los ciclos de la demanda local. El cemento se entrega a los usuarios, ya sea en bolsas o como polvo a granel soplado desde un vehículo en la presión en el silo del cliente final. En los países industriales, el 80% o más de cemento se entrega a granel.

CONSTITUYEBNTES TIPICOS DE CLINKER PORTLAND ADEMAS DE YESO

Escoria de huella CCN Masa %

Tricálcico silicato (CaO) 3 · SiO2 C 3 S 45-75%

Silicato dicálcico (CaO) 2 · SiO 2 C 2 S 7-32%

Tricálcico aluminato (CaO) 3 · Al 2 O 3 C 3 A 0-13%

Aluminoferrita tetracálcico (CaO) 4 · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 C 4 AF 0-18%

Yeso CaSO4 · 2 H2O 2-10%

Constituyentes típicos de cemento Portland

Cemento CCN Masa %

El óxido de calcio, CaO do 61 a 67%

El dióxido de silicio, SiO2 S 19-23%

El óxido de aluminio, Al 2 O 3 LA 2,5-6%

Óxido férrico, Fe 2 O 3 F 0-6%

Sulfato S 1,5-4,5%

Fraguado y endurecimiento

Conjuntos de cemento cuando se mezclan con agua por medio de una serie compleja de reacciones químicas todavía comprendido sólo en parte. Los diferentes constituyentes se cristalizan lentamente y el enclavamiento de sus cristales da a cimentar su fuerza. El dióxido de carbono se absorbe lentamente para convertir la portlandita (Ca (OH) 2) en insoluble de carbonato de calcio. Después de la configuración inicial, la inmersión en agua caliente acelerará ajuste. El yeso se añade como un inhibidor para prevenir la configuración del flash.

El uso más común para el cemento Portland es en la producción de hormigón. Hormigón es un material compuesto que consta de agregado (grava y arena), cemento, y agua. Como material de construcción, el hormigón se puede convertir en casi cualquier forma deseada, y una vez endurecido, puede convertirse en una (carga) elemento estructural. El concreto puede ser utilizado en la construcción de elementos estructurales como paneles, vigas, mobiliario urbano, o puede hacer colada hormigón en obra para la construcción de superestructuras como carreteras y presas. Estos pueden ser suministrados con hormigón mezclado in situ, o pueden estar provistos de "premezclado de concreto" hecho en los sitios de mezcla permanentes. Cemento Portland también se utiliza en los

morteros (con arena y sólo agua) para revoques y soleras, y en lechadas (mezclas de cemento / agua comprimida en lagunas de consolidar fundaciones, road-camas, etc.).

Cuando el agua se mezcla con el cemento Portland, los conjuntos de productos en unas pocas horas y se endurece durante un período de semanas. Estos procesos pueden variar ampliamente dependiendo de la mezcla utilizada y las condiciones de curado del producto, pero un típico conjuntos concretos en aproximadamente 6 horas y se desarrolla una resistencia a la compresión de 8 MPa en 24 horas. La resistencia se eleva a 15 MPa a los 3 días, 23 MPa a 1 semana, 35 MPa a las 4 semanas y 41 MPa a los 3 meses. En principio, la fuerza sigue aumentando lentamente el tiempo que se dispone de agua para la hidratación continua, pero el concreto se suele permitir que se seque después de unas semanas y esto hace que el crecimiento de fuerza para detener.

Proceso de purificación de aguas con ozono

Procesos de oxidación (biológicos, químicos o físicos) son uno de los principales pasos durante el tratamiento del agua. Oxidación biológica se piensa que es económicamente factible y ampliamente aplicable. Sin embargo, la presencia contaminantes de los tóxicos en el agua tratada podría hacer que el el uso de este método imposible. Destrucción térmica de productos químicos a altas temperaturas, sin embargo eficaces, no es económicamente factible. La oxidación química con el uso de varios oxidantes como el ozono, el hidrógeno peróxido, cloro o dióxido de cloro en general supera estas dificultades, sin embargo, en muchos casos, no resulta en la mineralización total de agua contaminante.

El ozono, debido a su alta oxidación y desinfección potencial, ha recibido recientemente mucha atención en tecnología de tratamiento de agua. Se aplica con el fin para mejorar el sabor y el color, así como para eliminar los compuestos orgánicos e inorgánicos en el agua. A pesar de varias ventajas de la utilización de ozono, tiene unos pocos inconvenientes, que limitan su aplicación en el agua tecnología de tratamiento. La principal son: relativamente baja solubilidad y estabilidad en agua. Debido a que tanto de la alto costo de producción de ozono y sólo oxidación parcial de compuestos orgánicos presentes en el agua, la aplicación de ozonización podría no ser factible desde un punto de vista económico. El ozono es conocido por ser un potente oxidante, pero reacciona lentamente con algunos orgánico compuestos tales como compuestos aromáticos inactivados.

Además en muchos casos, no causa la oxidación completa de compuestos orgánicos (por ejemplo, la materia orgánica natural, (NOM)), lo que resulta en la formación de biodegradable materia

orgánica (ácidos carboxílicos, compuestos de carbonilo). Esto, además, implica la necesidad de filtración biológica (sobre carbón activo), que elimina de carbono orgánica biodegradable (CODB) de agua. Con el fin tanto de proporcionar una mayor proceso de ozonización eficiencia y optimizar la eficiencia económica, nuevo métodos de oxidación avanzada han sido investigados. Procesos de oxidación avanzada (AOP), tales como O3 / H2O2, UV / O3, UV / H2O2, TiO2 / UV, Fenton de reactivos y ozonización catalítica implican la generación de radicales hidroxilo, que son oxidativo activo especies. Radicales hidroxilo libres son más poderosos que el ozono molecular. Sin embargo, sus reacciones son no selectivo y, por tanto, más posibilidades de verse obstaculizada por reacciones competitivas. Por esa razón, también es deseable para investigar nuevos métodos basados en las reacciones del ozono molecular, que permiten tanto mejor disolución de ozono y la estabilidad en agua. Estas son: en dos fases ozonización o la ozonización en La presencia de fases de alúmina no polar unido. Estos sistemas se basan en líquido-líquido o extracción líquido-sólido de sustancias que agotan la capa y orgánicos de la fase acuosa a la fase orgánica (por ejemplo, no polar o disolvente de hidrocarburo fluorado perfluorooctylalumina) y la posterior oxidación por ozono molecular disuelto en la fase orgánica. Este documento ofrece una visión general de los acontecimientos recientes en los procesos de ozonización catalíticos y métodos dirigida a la mejora de ozonización basado en molecular reacciones del ozono.

Los sistemas de tratamiento de agua han utilizado varios enfoques mecánicos y químicos para el control de patógenos microbianos. Tradicionalmente, los desinfectantes químicos tales como el cloro, cloraminas o la radiación UV han sido utilizados para el tratamiento del agua (Shannon et al., 2008). Recientemente, medios alternativos de desinfección, tales como el ozono, han ganado importancia (Gottschalk et al., 2009). El ozono fue utilizado por primera vez en 1893 en Holanda para el tratamiento del agua potable.El ozono es utilizado principalmente para tratar el agua para desinfección y oxidación de contaminantes químicos (USEPA, 1999). Hay varias ventajas de utilizar el ozono. El ozono es más efectivo que el cloro para eliminar las bacterias y virus en un menor tiempo de contacto (TC). Además es efectivo contra los parásitos resistentes al cloro como el Cryptosporidium y la Giardia. Se reporta que el valor de TC para una desactivación del 99.9-por ciento del Cryptosporidium es menor que un mg min/L para el ozono, mientras que es mayor que 30 para el cloro (Donofrio et al., 2013; Langlais et al., 1991). Además, la eficiencia de la desinfección por ozono no es afectada por el pH. El ozono tiene una vida media corta, y se descompone a moléculas menos reactivas y efectivas. Además, debido a que el ozono es consumido rápidamente, no hay modo residual de desinfección y no puede prevenirse la reproducción microbiana. El modo de acción del ozono en una solución acuosa es a través de la oxidación directa de compuestos a través de ozono molecular o la oxidación de compuestos por radicales libres de hidroxilo producidos durante la descomposición del ozono. El alto potencial de oxidación del ozono oxida los materiales de membranas de células, lo cual permite que el ozono ingrese al organismo y dañe las enzimas, ADN y ARN, causando de tal manera la destrucción de células (Khadre et al., 2001). En los virus, el primer sitio de acción es la desactivación de la cápside (principalmente sus proteínas), ocasionando la liberación del ácido nucleico y la disrupción de la adsorción de la partícula del virus a los pili del huésped. En general, las bacterias vegetativas (tales como los patógenos entéricos gramo-negativos) son más susceptibles al ozono, mientras que las bacterias y virus que forman esporas son más resistentes

ASPECTOS HISTÓRICOS INDUSTRIALES EN EL PROCESO DE PURIFICACIÓN DE AGUAS CON OZONO

El ozono fue descubierto en 1785 por Van Mauten y es en 1857 cuando Werner von Siemens diseña un generador de ozono. En 1893 se usó por primera vez para desinfección del agua en Holanda, y 1906 se aplica en una planta de tratamiento en Niza por la Compagnie Générale des Eaux de Bon Voyage . En los últimos 25 años, los mayores avances y desarrollos en este campo, han propiciado una importante mejora en los equipos productores y un  mayor empleo en la desinfección del agua.

El ozono, forma alotrópica del oxígeno, es un oxidante muy enérgico, es utilizado como tal en la desinfección del agua, está comprobada  su eficacia en oxidación de materias orgánicas e inorgánicas (entre éstas últimas destacan el hierro y manganeso). Su poder oxidante y desinfectante, mayor que el del cloro, le hace más eficaz que éste en la eliminación del olor, sabor y color del agua, así como en la eliminación de bacterias, virus y otros microorganismos. Su potencial de oxidación es 2,07 voltios, mientras el del cloro es 1,36 voltios, (el del dióxido de cloro es 0,95 V, el del permanganato potásico es 1,68 V, el del agua oxigenada es 1,76 V)

La ozonización (algunos llaman ozonación) es una buena alternativa a la cloración, (principalmente en la preoxidación), cuando en el agua hay fenoles y otras sustancias orgánicas precursoras de trihalometanos. Los fenoles por la adición de cloro forman clorofenoles de sabor y olor muy desagradables, aún en concentraciones tan pequeñas como 0,01 mg./l..Los precursores de trihalometanos suelen ser sustancias orgánicas naturales como los ácidos húmicos, fúlvicos y tánicos, generalmente de procedencia vegetal , que a la vez comunican a las aguas superficiales una determinada coloración. Sobre estas sustancias orgánicas, con enlaces dobles entre átomos de carbono, actúa el ozono rompiéndolos y a medida que esto sucede, no solo el color va desapareciendo, sino que los propios precursores de los trihalometanos se van eliminando.

El ozono se utiliza en el tratamiento del agua desde hace más de 100 años, y si su empleo en este campo no está más extendido es debido a su mayor costo con respecto a los otros desinfectantes generalmente empleados, sin embargo y debido a las mayores exigencias en las distintas reglamentaciones, especialmente en la reducción de subproductos derivados de la desinfección, está originando un mayor interés en la aplicación de sustancias que originen menos subproductos en el agua, así como una mayor reducción del sabor y olor del agua tratada. El ozono es más potentey de más rápida acción como desinfectante que el cloro, el dióxido de cloro y las cloraminas.

Es un oxidante fuerte y sus reacciones se realizan dos mecanismos: 1) reacciones directas que atacan a los dobles enlaces y algunos grupos funcionales; 2) reacciones indirectas son son debidas  a la acción de los radicales hidroxilos que se originan al  descomponerse el ozono en el agua.

FACES Y ETAPAS DEL PROCESO

El proceso requiere un generador de ozono. El ozono se produce, sobre la base de la misma manera que el Sol produce el ozono en la atmósfera. De alta intensidad lámparas UV simular la producción de ozono los rayos UV del sol. Se bombea aire en la cámara de UV y parte del oxígeno se convierte en ozono. Hay otras maneras de producir ozono, a través de químicos y electrolíticos reacciones.

El ozono producido se pasa a un difusor que crea burbujas. Estas burbujas son saturados con ozono y luego se mezcla con agua..

.La ozonización es ampliamente utilizada en el tratamiento de las aguas, tanto potables como residuales. Permite la eliminación de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos, reduciéndose el TOC, olor, color, sabor y turbidez de las aguas, así como compuestos refractarios (sustancias tóxicas y compuestos farmacéuticos).

Aunque es necesaria su generación “in situ” (mediante “descargas eléctricas silenciosas”) y su coste inicial es alto, es un potente desinfectante debido a su alta reactividad y poder de reducción. La ozonización se incluye dentro de los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs), que se definen como “procesos de oxidación que implican la generación de radicales hidroxilo en cantidad suficiente para interaccionar con los compuestos orgánicos del medio”.

El método más ampliamente utilizado para la generación de ozono para el tratamiento de aguas son las descargas en corona, o también conocido como “descargas eléctricas silenciosas”. Consiste en pasar oxígeno en forma gaseosa a través de dos electrodos separados por un dieléctrico y un hueco de descargas. Se aplica un voltaje a los electrodos, causando que un electrón fluya a través del hueco de descargas. Esos electrones suministran la energía para disociar las moléculas de oxígeno, produciéndose así la formación de ozono.

La ozonización se puede efectuar de forma no catalítica o catalítica. En el primer caso, la ozonización de realiza en medio alcalino para aumentar la velocidad de descomposición del ozono, incrementando así la velocidad de generación de radicales hidroxilo. La generación de radicales hidroxilo puede ser aumentada con la adición de peróxido de hidrógeno (H2O2), ampliando la concentración de los mismos en el agua. En el segundo caso, la actividad catalítica está directamente relacionada con la capacidad de descomposición de ozono disuelto y la consiguiente generación de radicales hidroxilo, aunque el mecanismo implicado en la ozonización catalítica es

aún motivo de discusión. Los principales catalizadores que se utilizan en ozonización son los óxidos de metales de transición (manganeso, titanio, aluminio), metales u óxidos soportados (cobre u óxido de titanio sobre alúmina), carbón activo (GAC) y sistemas mesoporosos, como los silicatos MCM o SBA.

Generación de ozono: El ozono es una especie inestable, por lo que debe ser generado en el momento de uso. La reacción directa de formación de ozono es muy endotérmica:

3 O2↔ 2 O3 ΔHº=+284.5 kJ/mol,

Por lo que no se obtiene el ozono directamente a partir de oxígeno, sino de otras formas:

-Producción fotoquímica de ozono: se irradia oxígeno con luz UV, lo que genera ozono. No se usa a nivel industrial pues el rendimiento obtenido es bajo, y el consumo energético es alto.

-Producción por electrólisis: muy utilizada a nivel de laboratorio. Generalmente se utiliza una disolución 3M de ácido sulfúrico, grafito como cátodo y platino como ánodo. Al aplicar un voltaje de 9V se produce ozono según las semirreacciones:

3 H2O → O3 + 6 H+ + 6 e− (ΔEo = −1.53 V)

6 H+ + 6 e− → 3 H2 (ΔEo = 0 V)

2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e− (ΔEo = −1.23 V)

-Producción por descarga eléctrica de alto voltaje (efecto corona): Es el método habitualmente utilizado. también se denomina descargas eléctricas silenciosas. Se hace pasar un gas que contenga oxígeno (aire generalmente) entre dos electrodos, y aplicando una diferencia de potencial. Así se crea un flujo de electrones entre los electrodos, que aportan la energía suficiente para disociar las moléculas de oxígeno, permitiendo la formación de ozono.

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL OZONO

Gas incoloro e inodoro de bajo peso molecular, formado por tres átomos de oxígeno, cuya nomenclatura es O3. Es una forma alotrópica del Oxígeno, de donde se deriva el nombre científico: trioxígeno. Requiere determinadas condiciones de presión y temperatura para poder formarse.

Actúa como filtro, o escudo protector, de las radiaciones nocivas, y de alta energía, que llegan al planeta, permitiendo que pasen otras como la ultravioleta de onda larga, que de esta forma llega a la superficie. Esta radiación ultravioleta es la que permite la vida en la Tierra, facilitando la fotosíntesis de la vegetación terrestre, Algas y fanerógamas marinas, que se encuentra en la base de la pirámide trófica.

Propiedades físicas del ozono

Peso molecular: (PM) 47,998

Temperatura de condensación: - 112 º C

Temperatura de fusión: -197,2 º C

Densidad: 2,144g/l

Densidad (líquido a –182 º C): 1.572 gr/cm 3

Peso del litro de gas (a 0º y 1 átm.): 1,144 gr.

-Propiedades químicas del ozono: El ozono es un gas incoloro a temperatura ambiente, con un olor picante detectable incluso a bajas concentraciones (a partir de 0.02 a 0.05 ppm en volumen). Es un compuesto corrosivo y tóxico, por lo que hay que tomar precauciones en su manejo.

El ozono es una especie oxidante, ampliamente usada en el tratamiento de aguas. Es algo soluble en agua. Las concentraciones típicas de ozono usadas en tratamiento de aguas están por debajo del 14%, lo que limita la transferencia de materia. Su actuación permite oxidar gran número de especies tanto orgánicas como inorgánicas presentes en el agua, lo que genera una demanda de ozono en el agua tratada, que deberá ser repuesta. Y esto supondrá un gasto adicional en los procesos son tratamientos caros.

Su actuación como oxidante ocurre mayoritariamente del siguiente modo: el ozono descompone espontáneamente según un mecanismo complejo, lo que supone la formación de radicales hidroxilos libres en disolución. Estos poseen tiempos de vida muy cortos, pero son extremadamente oxidantes y reactivos, lo que va a permitir la oxidación de los posibles contaminantes contenidos en el agua residual. El ozono molecular también puede oxidar directamente a los contaminantes, pero la reacción directa es lenta en comparación con la que implica a los iones hidroxilo. Se puede favorecer uno u otro mecanismo según las condiciones de trabajo:

-en medio ácido, se favorece la oxidación directa por parte del ozono molecular.

-en medio básico, irradiación de luz UV o adición de peróxido de hidrógeno, se favorece la formación de iones hidroxilo, y por tanto la oxidación de los contaminantes.

Este último mecanismo es el más ampliamente utilizado en procesos avanzados de oxidación, como son los usados en el tratamiento de aguas residuales.

Ozono Molecular

Las propiedades químicas de la capa de ozono dependen de la estructura de la molécula. Las dos formas extremas de estructuras de resonancia de la molécula de ozono se pueden expresar como sigue:

Debido a su estructura, el ozono molecular puede reaccionar como un dipolo, un agente electrófilo o nucleófilo. Como una consecuencia de su alta reactividad, el ozono es muy inestable en agua. El tiempo de vida media del ozono molecular varía desde unos pocos segundos hasta unos minutos y depende de pH, temperatura del agua y la concentración de orgánica y compuestos inorgánicos en el agua. La descomposición del ozono sigue una pseudo ley cinética de primer orden:

Donde es un pseudo constante para un determinado primer orden valor de pH. Descomposición del ozono procede a través de la siguiente reacción en cadena de cinco pasos:

El valor pH de la solución influye significativamente descomposición del ozono en el agua. PH básico provoca un aumento de la descomposición de ozono. A pH <3 hidroxilo radicales no influyen en la descomposición del ozono. Para 7 <pH <10, el tiempo de vida media típica de la capa de ozono es de 15 hasta 25 min

Precipitación de óxidos: El ozono es un oxidante muy efectivo para especies inorgánicas reducidas. A continuación se muestran las reacciones con los principales compuestos inorgánicos:

OZONIZADORES

En la producción industrial de ozono puede partirse de aire u oxígeno puro. Cuando se utiliza aire, la concentración de ozono a la salida del ozonizador varía entre el 1 y el 4 por ciento y si se emplea oxígeno puro, la concentración suele oscilar entre el 4 y el 12 por ciento en peso. En cualquier caso, el ozono en su empleo industrial, ya sea  partiendo del aire o del oxígeno puro, se obtiene por descarga eléctrica alterna de alta tensión y/o frecuencia, para evitar la formación de un arco eléctrico (descarga eléctrica silenciosa), entre dos electrodos separados  por un medio dieléctrico, generalmente vidrio.

           En los ozonizadores industriales, los dos electrodos son tubos concéntricos, el exterior de acero inoxidable y el interior  un tubo de vidrio, que consta de una fina capa metálica depositada en la cara interna.

El ozonizador está integrado por múltiples conjuntos de estos pares de tubos concéntricos.

 La reacción de formación del ozono es

3 O2   =   2 O3    +   0,82 Kwh. / Kg 

 Como alrededor del 80 al 90 por ciento de la energía se convierte en calor, el conjunto de electrodos conectados a tierra están refrigerados por agua.

        Los generadores industriales de ozono se fabrican generalmente de dos tipos , el de tubos concéntricos y el de placas, las configuraciones  pueden ser , vidrio-vidrio , o metal-vidrio. En la figura siguiente se representan ambas configuraciones y un ozonizador  tubular  con un electrodo de vidrio y otro metálico, que es el más empleado.

La producción de ozono en estos equipos, está sujeta a una serie de  parámetros interrelacionados ,que influyen en gran medida en la eficaz generación o producción de ozono y que podrían reunirse en tres grupos :  

            Parámetros del sistema: Fundamentalmente son, 1) longitud del sistema de descarga , 2) anchura del espacio de descarga y 3) configuración y espesor del dieléctrico.

Parámetros del proceso: Estos quedan abarcados principalmente en la concentración y producción del ozono y el rendimiento o necesidades de energía específica.

Parámetros operacionales. Estos son más numerosos, los principales son: 1) tensión , 2) tipo de tensión , 3) frecuencia, 4) densidad de potencia, 5) presión de trabajo, 6) temperatura de trabajo, 7) velocidad de corriente del gas, 8) composición y humedad del gas empleado.

Un somero análisis de estos últimos parámetros operacionales nos pone de manifiesto su influencia.

          Tensión: Al aumentar esta se eleva la producción de ozono y a la vez las necesidades de potencia específica.

         Tipo de tensión: La tensión de onda cuadrada supone unas condiciones, en la generación de ozono, mayores a las de onda sinusoidal.

         Frecuencia: A mayor frecuencia, mayor producción.

         Densidad de potencia: A mayor densidad de potencia, mayor producción.

         Presión de trabajo: Para presiones entre 1 y 2 bares, el rendimiento aumenta al disminuir la presión.

         Temperatura de trabajo: Las altas temperaturas, en general, aumentan la descomposición de ozono.

         Velocidad de corriente y concentración del gas: El aumento de la velocidad de la corriente de gas y la disminución de la concentración hace aumentar el rendimiento.

         Composición y humedad: Al aumentar la concentración o contenido de oxigeno del gas de entrada, en general, aumenta el rendimiento. Este disminuye por el contrario al aumentar la humedad del gas de entrada.

            Partiendo de aire, este es suministrado al ozonizador a presión y exento de polvo y humedad, lo cual requiere compresores, filtros y otras unidades más complejas de secado de este aire. La mezcla de aire ozonizado, que es lo que realmente sale del ozonizador, se conduce hasta las cámaras de contacto, donde se encuentra el agua a tratar, obligándole a salir a través de difusores porosos, con objeto de que las burbujas de gas que se introducen en el agua sean muy finas, o bien mediante difusores de turbina. A las cámaras de contacto de las dota de unos extractores en la parte superior, a fin de recoger  el ozono residual que no se ha consumido en su contacto con el agua y dirigirle hacia un equipo de destrucción, generalmente térmica, transformándose en oxígeno. Después de pasar por las cámaras de contacto, el agua debe contener aún una concentración próxima al 0.1  ppm.

Esquema de línea de preparación y aplicación de ozono al agua

1. Compresor  -  2.Tanque de aire - 3.Válvula calibrada - 4.Manómetro - 5. Presostato - 6-Válvula regulación del aire - 7.Termómetro - 8.Refrigerador - 9.Secador de aire - 10.Válvula de expansión - 11.Válvula de cierre - 12.Válvula de solenoide - 13.Higrómetro - 14.Medidor de caudal de aire - 15.Ozonizador - 16. Muestreador del aire seco - 17.Cabina eléctrica - 18.Conmutador de voltaje - 19Válvula de chequeo - 20.Válvula del agua de refrigeración - 21.Transformador - 22.Válvula de drenaje - 23.Termómetro/Termostato - 24.Válvula automática - 25.Tubos difusores - 26.Salida hacia el destructor - 27. Muestreador de aire ozonizado - 28. Caudalímetro monitorizado - 29.Cámara de contacto 

Los equipos ozonizadores que parten de aire, suelen consumir del orden de 14 a 18 Kwh/kg.O3, dependiendo de las diversas instalaciones. Con los modernos recursos de la electrónica, se han llegado a conseguir unas tensiones de explotación de ozonizadores de 10 KV ( para frecuencias

entre 600 y 1000 Hz. Partiendo de oxigeno se triplica la eficiencia en la producción de ozono por Kwh. La producción de 1 Kg de ozono, partiendo de oxígeno, supone un consumo de aproximadamente 7 Kwh.

Las variables operativas en  la producción de ozono son, la energía aplicada, el caudal del gas de entrada, la temperatura y la eficiencia del propio generador.   

Ventajas e inconvenientes del tratamiento de aguas mediante ozonización.

VENTAJAS DESVENTAJAS

J            Facilidad de producción de ozono desde aire u oxígeno por descargas eléctricas.

J            Facilidad de reacción con compuestos orgánicos e inorgánicos debido a su alta reactividad y potencial de reducción.

J            El ozono reduce el TOC, color, olor y turbidez del agua tratada.

J            El ozono oxida hierro, manganeso y sulfuros.

J            El uno de los desinfectantes químicos más eficientes, ya que requiere un tiempo de contacto pequeño.

J            En ausencia de bromo, no se forman DBPs.

J            Ozono es más efectivo que cloro, cloroaminas y dióxido de cloro para la inactivación de virus,Cryptosporidium y Giardia.

L       El ozono es altamente corrosivo y tóxico.

L       El coste inicial del equipamiento es alto, y los generadores requieren mucha energía.

L       El ozono debe ser generado “in situ” por problemas en el almacenamiento y transporte.

L       La vida media del ozono en el sistema de distribución es de 25 minutos a temperatura ambiente, con lo que la ozonización no asegura la limpieza del agua potable, siendo necesario añadir cloro.

L       Se forman DBPs en presencia de bromo, aldehídos, cetonas, etc.

L       Son necesarios filtros activados para la eliminación de carbono orgánico biodegradable.

Conclusiones

El trabajo se realizó gracias a los conocimientos adquiridos en los módulos del curso, también a los materiales de apoyo suministrados en el campus y archivos aportados por el tutor en el foro.

Se logró cumplir con las expectativas de la rúbrica y se adquirió la práctica de búsqueda de artículos en la web.

En el trabajo se logró conceptualizar con el objetivo usos y alcances de cada uno de estos procesos, las fases y etapas también las propiedades físicas y químicas, aspectos de seguridad y comparación con otros procesos industriales.

Referencias Bibliográficas

Tomado del módulo del curso de Nomenclatura Inorgánica de Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401586/ContenidoLinea/mdulo.html

Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone reactions in water treatmenthttp://66.165.175.209/campus17_20152/file.php/64/moddata/forum/556/386828/OzonationRev.pdf

Contaminación y Purificación del Aguahttp://contaminacion-purificacion-agua.blogspot.com.co/2005/09/purificacion-de-agua-por-ozono.html

Aplicación de la ozonización en el tratamiento de aguas: descripción y funcionamiento http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/2008/01/16/82477

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