Tratamiento físico-químico de residuos industriales...

NOMBRE PROGRAMA / Nombre profesor www.eoi.es

Master Profesional de Ingeniería y Gestión

medioambiental

Tratamiento físico-químico de

residuos industriales/Gestión

de Residuos

Año de realización: 2010-2011

PROFESORA

Maria Jesús Kaifer

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1. Introducción y Objetivos

2. Tratamientos mediante Precipitación

Química

3. Tratamientos mediante Oxidación Química

4. Tratamientos mediante reacciones de

Reducción Quimica

5. Separación de fases

6. Técnicas de ajuste final de la calidad:

tratamientos con membrana o tratamientos

térmicos.

7. Conclusión

8. Casos prácticos

Tratamiento Físico-químico de Residuos

Industriales/Gestión Residuos

Índice

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Capítulo 1Introducción y Objetivos

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Tratamientos fisico-quimicos

Objeto:

Eliminar los contaminantes presentes en fase acuosa mediante la adición de

reactivos.

Contaminantes objetivo:

Metales pesados

•Cianuros

•Cromatos (cromo VI)

•Arseniatos

•Fosfatos

•Aguas con orgánicos : taladrinas, tintas, pinturas, etc

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Calidad final

La calidad del efluente y por tanto la combinación de tecnologías a emplear vendrá dada por los

requisitos de vertido.

La mayor exigencia legal actual obliga a introducir nuevas tecnologías para eliminar prácticamente en

su totalidad la presencia de contaminantes ( o reactivos).

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Fundamentalmente estas técnicas de tratamiento van dirigidas a residuos

procedentes de las industrias del metal y más concretamente a la

industria del tratamiento de superficies.

La actividad de estas industrias se centra en recubrir superficies metálicas

o plásticas con distintos materiales con los siguientes fines:

Prevenir la corrosión

Prevenir el desgaste

Aumentar su dureza

Aumentar su resistencia

Modificar su comportamiento ante determinadas parámetros físicos:

conductividad eléctrica, transmisividad del calor, etc

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Los procesos productivos más significativos desde el punto de vista de la

producción de residuos son:

Corte mecánico (se utilizan las taladrinas como refrigerantes)

Pulido y conformado de la pieza

Desengrasado (baños alcalinos)

Decapado (baños de ácidos concentrados)

Revestimientos

Fosfatación

Oxidación anódica o anodizado( recubrimiento con un óxido metálico)

Procesos de electrodeposición, también conocidos como galvanotecnia

(cobreado, niquelado, cadmiado, zincado, latonado, etc)

Impresión de placas de circuitos electrónicos

Pasivado crómico (utilización de Cromo VI)

Pintado (en cabinas de arrastre de agua)

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ESQUEMA BÁSICO INSTALACIÓN DE

TRATAMIENTO SUPERFICIES

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Ánodo:

Deposición del Zinc Zn2+ + 2e- Zn

Generación de Hidrógeno 2H+ + 2e- H2↑

Cátodo:

Oxidación del SO42- 2 SO42- S2O8

2- + 2e-

Descomposición del S2O82- 2 S2O82- 2 SO4

2- + 2SO3 + O2↑

Síntesis de H2SO4 SO3 + H2O H2SO4

Electrolisis del H2O 2H2O 4H+ + O2↑ + 4e-

REACCIONES INVOLUCRADAS

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Minimización

De acuerdo con los principios de la UE y la legislación, las técnicas de eliminación deben considerarse una vez que se ha procedido a estudiar y a implantar los procesos de minimización de residuos

Implantación de técnicas de fabricación que minimicen la generación de residuos

Sustitución de las sustancias empleadas por otras menos peligrosas

Empleo de técnicas de recuperación, reciclado y reutilización.

PASOS PREVIOS

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•Precipitación química.

•Oxidación química.

•Cianuros

•Compuestos orgánicos

•Reducción de Cromo hexavalente: Cr VI.

•Separación de fases, rotura de emulsiones.

•Tratamiento de orgánicos e iones: membrana y evapocondensación.

•Estabilización

•Destilación para recuperación de disolventes.

TRATAMIENTOS FÍSICO-QUÍMICOS:

REACCIONES INVOLUCRADAS

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Capítulo 2Precipitación quimica

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PRECIPITACIÓN QUÍMICA

OBJETIVO

conseguir un efluente de calidad adecuada y concentrar los contaminantes (METALES

PESADOS) en una fase sólida que deberá ser gestionada correctamente.

Generalmente los metales precipitados no son recuperables.

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Tratamiento Precipitación química

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PRECIPITACIÓN QUÍMICA: Forma de producirla

1. Adición de sustancias que reaccionan con el compuestopara dar lugar a una forma poco soluble (precipitación desulfuros).

2. Adición de sustancias que alteran el producto de solubilidadproduciendo la insolubilización (precipitación de pH).

3. Cambio de temperatura de una solución en la dirección queprovoca una disminución del producto de solubilidad, yaque la solubilidad es una función de la temperatura.

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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO-precipitación de metales como hidróxidos

(Lanouette)

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PRECIPITACIÓN DE METALES

M P++ + Ca(OH)2 M(OH)2 +Ca++

Precipitación como hidróxido utilizando cal o sosa

La precipitación debe mantenerse en un pH específico si

el metal es anfótero.

Ensayos previos (jar test) para ver el pH idóneo de la

mezcla y obtener los datos de consumo de reactivo y de

generación de lodo.

Son esperables consumos superiores a tres veces la

cantidad estequiométrica.

El pH es un factor fundamental para el mantenimiento

del equilibrio.

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M P++ + Ca(OH)2 M(OH)2 +Ca++

Los metales más frecuentemente encontrados en los

residuos de origen industrial son:

Fe, Zn, Cu, Cd, Ni, Pb, Cr.

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Reactivos de precipitación.

CARACTERISTICAS DE LOS REACTIVOS

Ca(OH)2 NaOH CO3Na2 SNa2

Uso general Pequeños consumos Sólo si es requerido Sólo si es requerido

Precio Bajo Alto Moderado Alto

Velocidad de reacción Baja Muy Alta Moderada Moderada

Separación precipitado Muy buena Moderada (c/polielectrolito) Moderada (c/polielectrolito) Muy difícil (c/polielectrolito)

Calidad efluente Buena Buena Buena Excelente (difícil eliminación Sulfuro)

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Floculación

Consiste en la aglomeración de partículas de tamaño pequeño

para favorecer su sedimentación mediante:

•Desestabilización química de las fuerzas superficiales

repulsivas (fuerzas electrostáticas e interiónicas).

•Englobamiento físico y químico de las diferentes

partículas.

Los floculantes más utilizados son:

•Alúmina

•Cal

•Sales ferrosas y férricas

•Polielectrolitos (polímeros solubles de cadena larga)

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Sedimentación

Proceso físico por el que las partículas suspendidas en

un líquido por medio de fuerzas gravitacionales e

inerciales sedimentan.

Se requiere:

•Depósitos de suficiente tamaño para favorecer que

el líquido permanezca suficiente tiempo y pueda

sedimentar.

•Un medio mecánico para dirigir el sólido hacia la

parte inferior del depósito con el fín de facilitar la

sedimentación.

•Un medio físico para separar las partículas

separadas.

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FILTRACIÓN : DESHIDRATACIÓN DEL LODO

Los filtros prensa son los equipos más empleados para la separación de

mezclas sólido-líquido.

La mezcla se bomba a varias cámaras que tienen a ambos lados una tela

filtrante, las partículas sólidas quedan retenidas por la tela filtrante y el

líquido se filtra.

Cuando la cámara se llena de sólidos aumenta la presión (espesor de torta

de 15 a 70 mm), se para el sistema y se descarga la torta.

La sequedad del lodo se acerca al 40% y el volumen de torta de 5 a 15m3

por equipo. El lodo será gestionado en vertedero y/o previamente tratado

mediante procesos de estabilización.

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FILTRACIÓN : DESHIDRATACIÓN DEL LODO

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Esquema tipo de proceso de tratamiento químico

PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO

ENTRADA

EFLUENTE

AJUSTE DE pHDECANTADOR

TANQUE DE REACCIÓN

LODOS

FILTRO PRENSA

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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- plantas compactas

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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- Sedimentador

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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- Medidas de prevención de la contaminación

Cubetos de contención de derrames (sin conexión a la red de saneamiento)

Separación de las redes de saneamiento : industrial (incluyendo el laboratorio) y oficinas

Niveles de llenado en depósitos de almacenamiento para evitar derrames por sobrellenado

Recogida de pluviales de viales y depósitos de almacenamiento

Captación de emisiones difusas

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Ventajas:

•Operación sencilla y con equipos estándar

•Versátil, aplicable a gran variedad de corrientes

acuosas.

•Relativamente bajo costo

•Fácilmente integrable en sistemas más costosos.

•Método no destructivo.

Inconvenientes:

•Presencia de complejos o de partículas difícilmente

sedimentables (sulfuros).

•Difícilmente selectivo.

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Capítulo 3Tratamientos de Oxidación química

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2. REACCIONES DE OXIDACIÓN

Se basan en reacciones red-ox, en medio acuoso y utilizan

reactivos de naturaleza inorgánica.

El reactivo se selecciona dependiendo de su potencial

estándar de reducción, que toma valores entre +3 y –3

voltios.

poder de oxidación cuanto más positivo sea su potencial

estándar frente al del compuesto a oxidar.

En general son más activos a pH ácido, mientras que los

reductores lo son a pH alcalino.E

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OXIDACIÓN QUÍMICA

Conceptos básicosOxidante/medio ácido Eº (V) voltios

Peróxido de hidrógeno catalizado (reactivo Fenton)

+2,80

Oxígeno atómico +2,42

Ozono +2,08

Äcido persulfónico +2,01

Peróxido de hidrógeno +1,76

Äcido permángánico +1,51

Äcido hipocloroso +1,49

Cloro +1,36

Dióxido de cloro +1,27

Oxígeno +1,23

Oxidantes químicos en medio acuoso

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OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros

A) Cloración alcalina

NaCN + Cl2 CNCl+ NaCl

CNCl +2NaOH NaCNO +ClNa +H20

2NaCNO + 4NaOH +3Cl2 6NaCl+2C02+N2+2H20

Consumo teórico de cloro en la 1ª etapa 2,7 gr/Cl2

Consumo teórico de cloro de la 2ª etapa 2,5 grCl2/CN0

Consumo total 6,8 gr Cl2/grCN

El hipoclorito también se aplica para eliminación de amoniaco mediante

la oxidación a nitrógeno. Para ello es necesario mantener un exceso de

oxidante de 6 veces y valores de pH entre 8 y 10.

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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO -QUÍMICO- tratamiento de cianuros

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B) Ozonización

NaCN + O3 NaCNO + O2

2NaCNO +3O3+H2O NaOH +2CO2 +N2+302

Coste e inversión superior que en el caso anterior.

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c) Oxidación electrolítica

Es apto para concentraciones que se sitúan entre 1000 y

3000 mg/l de CN. A concentraciones inferiores reduce su

eficacia.

Se puede aplicar como pretratamiento y finalizar con el

proceso de oxidación con hipoclorito.

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OXIDACIÓN- peróxido de hidrógeno catalizado

Su poder oxidante permite el tratamiento de moléculas

orgánicas que no reaccionan frente al peróxido de hidrógeno

debido a que requieren altas energías de activación.

Catalizadores efectivos son: ión ferroso, o dióxido de titanio.

Su aplicación más característica es la eliminación de fenoles en

agua, destrucción de pesticidas, herbicidas, etc.

También permite la destrucción de los ferrocianuros, uno de los

complejos más resistentes al ataque químico.

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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO-tratamiento de cianuros

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Capítulo 4Tratamientos de Reducción química

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REDUCCIÓN QUÍMICA- tratamiento de cromo hexavalente

Reducción de Cr VI

Con bisulfito

4H2Cr04+ 6NaHS03+3H2 S04 Cr2(S04)3 +3Na2S04+10H20

Con sulfato ferroso

2H2Cr04 +6FeS04 +6H2S04 Cr2(S04)3 +3Na2S04 +8H20

Reacción rápida a pH ácido

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REDUCCIÓN- tratamiento de cromo hexavalente

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Capítulo 5Separación de fases

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4. SEPARACIÓN DE FASES- rotura de emulsiones

1. Cambio de pH o utilización de desemulsionantes para

separar la suspensión coloidal de los compuestos orgánicos

en agua.

2. Separación de las partículas por gravedad o centrifugación

(a veces en caliente).

Residuos aplicables:

- Emulsiones aceite-agua (taladrinas)

- Mezcla de hidrocarburos:agua (Marpol, refinerias,

contaminación de aguas subterráneas, etc.)

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aceite

agua

lodo

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Capítulo 6

Tratamientos de ajuste calidad

final

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5. TRAMIENTO DE ORGÁNICOS E IONES.

Tratamiento mediante membranas

Son tecnologías más recientes cuyas ventajas frente a los sistemas

tradicionales de tratamiento son:

-Permiten hacer frente a la creciente presión de la regulación jurídica

(límites más restrictivos de vertido).

- Reciclan el agua tratada.

Los inconvenientes más característicos son:

-Insuficiente selectividad de las membranas

-Caudales relativamente pobres por problemas de ensuciamiento de las

membranas.

-Problemas económicos (más dificil predecir los costes).

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4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.

Una membrana se define como un film delgado (fino) que separa dos

fases y actúa como barrera selectiva al transporte de materia, debido a

la existencia de una diferencia de potencial químico entre las dos fases.

La membrana debe considerarse un material funcional no pasivo.

La operación de membrana se define como una operación donde la

corriente de alimentación se divide en dos: el permeado y el retenido

por la membrana. Se utilizan para purificar o concentrar una solución

o una suspensión (solvente:soluto o separación de partículas) y para

fraccionar una mezcla (separación soluto-soluto).

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-La separación tiene lugar

a Tª ambiente.

-La separación implica la

no acumulación de

productos en las

membranas.

-No requiere la adición de

reactivos.

-El rechazo suele situarse

en el entorno del 30-40%.

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Operación de membranas mediante presión:

Ósmosis inversa.- Por medio de una presión el solvente de una solución se

transfiere a través de una membrana, la diferencia de potencial químico

promueve la difusión del agua a través de la membrana. P trabajo= 5 a 8

MPa

Nanofiltración.- la membrana es selectiva para la eliminación de iones

polivalentes (calcio y magnesio), más reciente,mente se emplea para

eliminar materia orgánica. P trabajo= 0,5 a 1,5 Mpa.

Ultrafiltración.- Permiten el rechazo de solutos gruesos (macromoléculas),

los de bajo peso molecular no son retenidos por la membrana. Ptrab = 50 a

500 kPa

Microfiltración.- Presentan mayor tamaño de poro que la UF.

(clarificación).

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INSTALACIÓN DE

ULTRAFILTRACIÓN

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Clasificación de membranas

Separación fundamentada en grandes diferencias de

tamaño: MF, UF, y DIA. Requieren membranas porosas.

Separación fundamentada en diferencias de solubilidad

y difusividad (solución-difusión):PG, PV y OI.

Requieren membranas no porosas o densas.

Separación fundada en diferencias en las cargas de las

especies a separar: efecto electroquímico como en ED y

diálisis DONNAN. Llevan membranas de intercambio

iónico.

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Aplicaciones en tratamiento de efluentes

industriales:

-Soluciones con iones disueltos difícilmente

precipitables (efluentes de otros procesos). Por

ejemplo, aguas con Cl-, Na+, K+ etc.

-Soluciones con trazas de compuestos

orgánicos (aguas con aceites, aguas con

pigmentos, aguas con disolventes, etc).

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5. OTROS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE DE ORGÁNICOS DISUELTOS E IONES. Evapocondensación

Tecnologías alternativas a las membranas lo constituyen

los tratamientos de evaporación y condensación posterior

del agua.

Su principal limitación es que requiere la ausencia de

compuestos orgánicos volátiles ya que en este caso se

destilarían con la fase acuosa (sólo aplicable en el caso

de evapooxidación.

Consisten en la evaporación del agua presente en la

corriente a tatar de forma que los contaminantes se

quedan en el concentrado. El agua evaporado se

condensa para su reutilización.

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5. OTROS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE DE ORGÁNICOS DISUELTOS E IONES.

Se aplican al mismo tipo de corrientes que las que se han

visto para las membranas.

Los factores decisivos para la toma de decisiones serán:

-% de rechazo obtenido en las membranas

-% de concentrado

-Caudales a tratar

-Consumo energético

-Costes de operación y mantenimiento

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5. EVAPOCONDENSACIÓN.

La evaporación se puede llevar a cabo utilizando las

siguientes tecnologías.

-Evaporación al vacío mediante bomba de calor. Se

realiza vacío en la cámara de ebullición, con lo que se

consiguen Tª de destilación de 30º a 40ºC.

-Evaporación al vacío mediante fluidos de calefacción y

enfriamiento externos. Útil para caudales altos.

Evaporación por termocomprensión: trabaja a vacío y el

vapor destilado se comprime hasta P atmosférica

sobrecalentándose, siendo la fuente de energía para la

evaporación y el precalentamiento del líquido a tratar.

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5. EVAPOCONDENSACIÓN.

Bomba de calor: se basa en un ciclo cerrado de comprensión y expansión

de freón. El freón se calienta y evapora al líquido, al expandirse se enfría

y condensa el líquido.

Características:

Consumo de

electricidad mayor

Caudal de

evaporación entre

15 y 700 l/h

Inversión

ligeramente inferior

Más versátil

1.- Compresor

2.- Ebullición

3.- Refrigerador

4.- Condensación

5.- Inyector

6.- Bomba

7.- Depósito destilado

8.- Bomba de concentrado

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Capítulo 7

Conclusiones

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Interrelación de los distintos procesos de tratamiento físico-químico

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Agua apta para uso en riego de

jardines etc.

Agua para reciclaje en

procesos

Con el agua de evapo-condensación destilan trazas

de orgánicos volátiles y amoniaco que se eliminan

por tratamiento biológico del tipo SBR.

Ajuste final

líquidos inmiscibles o desemulsionablesque se

separan por decantación, centrifugación, etc.

aceites, hidrocarburos, disolventes, etc

contaminantes inorgánicos que se destruyen por

reducción (cromatos) o metales pesados que se

insolubilizan como hidróxidos.

metales pesados, cromatos, etc.

el agua se separa por evaporación y posterior

condensación, quedando estos compuestos como un

concentrado de la evaporación..

orgánicos no volátiles, sales inorgánicas

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Capítulo 8

Casos prácticos

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