Unidad 4. Procesos Unitarios

8/18/2019 Unidad 4. Procesos Unitarios

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Unidad 4. Procesos unitarios de tratamiento de aguas residuales

Fundamentos de aguas residuales Página 1

UNIDAD 4. PROCESOS UNITARIOS DE TRATAMIENTO DE AGUASRESIDUALES

1. Neutralización – Homogeneización

El tratamiento de neutralización se utiliza normalmente en los siguientes casos que se presentanen la depuración de aguas residuales:

1. Antes de la descarga de aguas residuales en un medio receptor. La justificación para laneutralización es que la vida acuática es muy sensible a variaciones de pH fuera de unintervalo cercano a pH = 7.

2. Antes de la descarga de aguas residuales industriales al alcantarillado municipal. Laespecificación del pH de las descargas industriales en las alcantarillas se hace de formafrecuente. Es más económico hacer una neutralización de las corrientes de aguasresiduales industriales antes de descargar en el alcantarillado municipal, que intentar haceruna neutralización de los mayores volúmenes de las aguas residuales mixtas combinadasdomesticas e industriales.

3. Antes del tratamiento químico o biológico. Para los tratamientos biológicos, el pH delsistema se mantiene en un intervalo comprendido entre 6.5 y 8.5 para asegurar unaactividad biológica óptima. El proceso biológico en sí mismo puede conseguir unaneutralización, y en cualquier caso tiene una capacidad tampón como resultado de laproducción de CO2, que da lugar a la formación de carbonaros y bicarbonatos en lasolución. El grado de preneutralización requerido para el tratamiento biológico dependede dos factores: 1) la alcalinidad o acidez presente en el agua residual, y 2) los mg/l deDBO que deben eliminarse en el tratamiento biológico. Este último aspecto está muyrelacionado con la producción de CO2, que se puede dar a lugar a una pequeñaneutralización de los resultados alcalinos.

Métodos para la neutralización de aguas residuales.

Los métodos para la neutralización de aguas residuales incluye: (1) homogeneización. Que consisteen mezclar las corrientes, algunas de las cuales son ácidas y otras alcalinas, disponibles en la plantay (2) métodos de control directo de pH, que consisten en la adición de ácidos (o bases) paraneutralizar las corrientes alcalinas o ácidas.

Homogeneización.

Cuando se va a utilizar la neutralización, la homogeneización significa la mezcla de las corrientes daguas residuales, ácidas y alcalinas en un tanque de homogeneización. La homogeneización seutiliza a menudo para otros objetivos aparte de la neutralización, como son: 1) aminorar lasvariaciones de ciertas corrientes de aguas residuales, intentando conseguir una corriente mezclada,con un caudal relativamente constante, que sea el que llegue a la planta de tratamiento; y 2)aminorar las variaciones de la DBO del afluente a los sistemas de tratamiento. Con este propósitose utilizan tanques de homogeneización de nivel constante o variable.


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1. Estanques de homogeneización de nivel constante. Esta disposición es la mostrada en lafigura siguiente donde el nivel del depósito de homogeneización se mantiene constante. Enconsecuencia, si el caudal de entrada varía, varía el caudal de salida. Por lo tanto, no setrata de una técnica de homogeneización de caudal, sino simplemente un método deneutralización. Si las fluctuaciones en el caudal de entrada son muy grandes, el afluente queproviene de un sistema de homogeneización de nivel constante puede llevarse a otrodepósito de homogeneización, que tenga como objetivo una homogeneización en elcaudal.

2. Depósito de homogeneización de nivel variable. En este método de neutralización, elafluente sale con un caudal constante, y teniendo en cuenta que el caudal de entrada varíacon el tiempo, el nivel del estanque debe hacerse variables. Este método se utiliza tambiéncon el objetivo no solo de conseguir una neutralización, sino de conseguir un caudal desalida constante. En la figura siguiente se recoge un esquema de un depósito o estanque dehomogeneización con nivel variable.

Otro método de homogeneización consiste en sacar el de la corriente deentrada, o caudal de alimentación, a un depósito de retención, del cual sale una pequeñapurga que va alimentando al tanque de homogeneización. Este método no se utiliza conobjetivos de neutralización, sino solamente para el mantenimiento de la DBO o caudal. Lafigura 3.37 ilustra esta información.


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Métodos del control directo de pH.

Neutralización de las aguas residuales ácidas por métodos del control directo del pH.

Los siguientes métodos de neutralización directa de las aguas residuales ácidas son los empleadosnormalmente: 1) lechos de caliza; 2) neutralización por cal; 3) neutralización con sosa caustica(NaOH); 4) neutralización por carbonato de sodio, y 5) neutralización con amoniaco.Podemos hacer algunos comentarios con respecto a estos métodos:

La sosa caustica es más cara que la caliza. Ofrece ventajas con respecto a la uniformidad delreactivo. Facilidad de almacenaje y alimentación. Tiempo rápido de reacción. Y el hecho de que losproductos finales de la reacción (sales de sodio) es soluble.

El carbonato sódico (Na2CO3) no está reactivo como la sosa caustica y presenta algunosproblemas debidos a la emisión de Dióxido de Carbono.

El amoniaco (NH4OH) presenta la desventaja de ser contaminante: como consecuencia su usopuede estar prohibido por la normativa del control de la contaminación.Los factores que guía la selección de un reactivo de neutralización son: 1) coste de compra; 2)capacidad de neutralización; 3) velocidad de reacción, y 4) almacenamiento y vertido de losproductos de la neutralización.

Lechos de caliza.

Tipos de equipos.

Se dispone de lechos de caliza con flujo ascendente o descendente. Para aguas residualesconteniendo H2SO4 , los lechos de caliza no deben utilizarse si la concentración de H2SO4 superael 0.6%. La razón para esta limitación es que la caliza se cubre con una capa insoluble de CaSO4,haciéndola inefectiva. Además, la evolución CO2 puede causar problemas.


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La disposición del flujo ascendente es preferible a la contraria ya que en esas unidades el CaSO4 tiende a ser arrastrado antes de precipitarse sobre la caliza. Además, los escapes del CO2 generados en la reacción de neutralización son más fáciles de eliminar en dichas unidades. En lasunidades de flujo descendente teniendo en cuenta que el CO2 tiene tendencia a escaparse en ladirección opuesta a la circulación del líquido. Es más posible que ocurran ciertas condiciones deinundación adversas. Por estas razones, la máxima carga para los sistemas de flujo descendente selimita a valores aproximados a 2 m3/m2h. Puede hacerse un reciclado del efluente. La figura 3.42presenta un diagrama para un sistema de flujo ascendente para el cual el movimiento hacia la partesuperior de la corriente del líquido se consigue sin bombeo.

La presencia de iones metálicos (Al3+, Fe3+) en las aguas residuales reduce la efectividad del lechode caliza debido a un recubrimiento de la misma con hidróxidos precipitados. Finalmente, si ladilución del ácido en el agua residual aumenta se requieren tiempos de retención mayores para suneutralización.

Tratamiento con cal.

Equipo necesario para los sistemas de tratamiento con cal.

La cal es el reactivo más utilizado para la neutralización de aguas residuales ácidas, siendo laprincipal razón para su uso el bajo coste de la misma.

Se recomienda normalmente una adición por etapas de la cal. Para aguas residuales con altocontenido en ácido se recomiendan al menos dos etapas; la primera (neutralización grosera) paraelevar el pH al menos a un valor entre 3.0 y 3.5, y con la segunda (ajuste) se pretende llegar al pHdeseado para el efluente. Abecés es necesario una tercera etapa. El control automático de esteproceso no es anda simple, porque la relación entre pH y la cantidad de cal adicionada no es linealparticularmente en las cercanías del punto de neutralización (pH= 7).

En las cercanías del punto de neutralización, el pH es muy sensible a adiciones pequeñas de cal,variando en la operación normal de un sistema utilizando cal, tan rápido como una unidad de pHpor minuto. Además, las fluctuaciones en el caudal del afluente complican el proceso. Una pequeñacantidad de reactivo se puede mezclar completamente con un gran volumen de líquido en muypoco tiempo; a tal efecto se utiliza mezcladores mecánicos.

Neutralización de aguas residuales alcalinas.

En principio cualquier ácido fuerte puede ser usado para la neutralización. Las consideracioneseconómicas limitan la elección a H2SO4 (el más común) y HCl. Las reacciones son esencialmenteinstantáneas.Gases residuales que contengan 14% o más de CO2, se usan a veces para la neutralización de lasaguas residuales alcalinas. Cuando se realiza un burbujeo a través de las aguas residuales, CO2 forma ácido carbónico, que reacciona con la base. La reacción es lenta pero suficiente si el pH nonecesita estar ajustado por debajo de 7 u 8 bien con el burbujeo a través de tubos perforados, ousando torres con aspersores, se alcanza un resultado satisfactorio.

Debido a la producción de CO2, los procesos de lodos activos (y en otros tratamientos biológicosaerobios de aguas residuales) tienen una capacidad limitada para neutralizar aguas residualesalcalinas.


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2. Coagulación – Floculación

Las aguas crudas naturales contienen tres tipos de sólidos no sedimentables: suspendidos,coloidales y disueltos. Los sólidos suspendidos son transportados gracias a la acción de arrastre ysoporte de movimiento del agua; los más pequeños (menos de 0.01 mm) no sedimentanrápidamente y se consideran sólidos no sedimentables, y los más grandes (mayores de 0.01 mm)son generalmente sedimentables.Los sólidos coloidales consisten en limo fino, bacterias, partículas causantes de color, virus, etc.,los cuales no se sedimentan sino después de períodos razonables y su efecto global se traduce enel color y la turbiedad de aguas sedimentadas sin coagulación.

Los sólidos disueltos, materia orgánica e inorgánica, son invisibles separadamente, no sonsedimentables y globalmente causan diferentes problemas de olor, sabor, color y salud, a menosque sean precipitados y removidos mediante métodos físicos y químicos.

La coagulación química puede definirse como un proceso unitario usado para causar lacoalescencia o agregación de material suspendido no sedimentable y partículas coloidales y deaguas residuales en el proceso por el cual se reducen las fuerzas repelentes existentes entrepartículas coloidales para formar partículas mayores de buena sedimentación.

El proceso consiste en la adición de sustancias químicas al agua, su distribución uniforme en ella yla formación de un flóculo fácilmente sedimentable.

La coagulación prepara el agua para la sedimentación, incrementa grandemente la eficiencia de lossedimentadores y tiene como función principal desestabilizar, agregar y unir las sustanciascoloidales presentes en el agua. El proceso remueve turbiedad, color, bacterias, algas y otrosorganismos planctónicos, fosfatos y substancias productores de olores y sabores. La coagulación esel proceso más ampliamente usado para remover las substancias que producen turbiedad en elagua. Las substancias que producen turbiedad son a menudo inorgánicas, mientras que las quecausan olor, sabor o color son generalmente orgánicas.

El entendimiento del mecanismo de la coagulación implica el conocimiento de las propiedades delos coloides.

Coloides.

Son, en general, sólidos finamente divididos que no sedimentan por la simple acción de lagravedad, pero que pueden removerse del agua mediante coagulación, filtración o acción biológica.Con base en su tamaño, los coloides han sido definidos como partículas cuyo diámetro varía entre1 y 100 nm. Dos propiedades únicas están asociadas a los coloides: movimiento browniano y áreasuperficial extremadamente grande. Estas dos propiedades permiten a los coloides desafiar la leyde la gravedad y, por lo tanto, impiden su remoción por sedimentación simple. Debido a suinmensa área superficial, los coloides absorben iones en cantidades desiguales, dando origen a laformación de una carga eléctrica que contribuye a su estabilidad. El resultado de la formación deésta carga eléctrica y del movimiento browniano es una colisión constante entre partículas. La tasade coagulación puede tomarse entonces como una medida de la cantidad de partículas que seadhieren, durante la colisión, en un período determinado.


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Dependiendo de su afinidad con el agua, los coloides se dividen en hidrofóbicos, odiosos del agua,e hidrofílicos, amantes del agua. Los coloides hidrofílicos tienen la habilidad de reaccionarespontáneamente con el agua para formar suspensiones coloidales, las cuales pueden serdeshidratadas y convertidas en el material original o redispersas repetidamente; por ello se lesllama coloides reversibles. Los coloides hidrofóbicos se obtienen generalmente por medios físicoso químicos; no se dispersan espontáneamente del agua y por ello se les llama coloidesirreversibles.En la coagulación los coloides hidrofílicos reaccionan químicamente con el agua y con loscoagulantes; los hidrofóbicos no reaccionan con el agua y su coagulación se lograpredominantemente por reacciones físicas y no químicas. En los coloides hidrofílicos la estabilidadse mantiene por la hidratación, pues las moléculas de agua son atraídas a la superficie de laspartículas y actúan como una barrera para el contacto entre ellas. En los hidrofóbicos la estabilidades predominantemente un fenómeno eléctrico, explicado por la teoría de la doble capa, o sea porla existencia de una carga opuesta envolvente a dicha superficie.

En su forma más simple, la teoría establece que las partículas hidrofóbicas suspendidas en el aguatransportan cargas eléctricas en su superficie. En aguas naturales dicha carga es comúnmentenegativa.El grado de estabilidad de una partícula es determinado por un valor llamadopotencial zeta , elcual está relacionado con la carga de la partícula y la distancia a través de la cual la carga esefectiva. El concepto de potencial zeta surge de la teoría de la doble capa que se ilustrabrevemente a continuación.


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Las partículas coloidales se caracterizan por poseer dos capas eléctricas alrededor de ellas, de lascuales derivan su estabilidad.

La capa interna consiste tanto en cationes como en aniones, pero en general tiene una carga netanegativa. La capa externa comprende cationes intercambiables tales como Na+, Ca++, Mg++, H+,etc. El potencial zeta se refiere al contorno entre el solvente adherido a la partícula en sumovimiento y el solvente que puede moverse con respecto a la partícula. Dicho contorno o planode corte es esencialmente la separación entre el agua de hidratación y el agua libre. En otraspalabras, el potencial zeta es la medida, en milivolteos, del potencial eléctrico entre la capa fija y lacapa exterior de iones de carga contraria que rodean el coloide.La ecuación de Helmholtz define el potencial zeta como:

Dónde:

L = potencial zetaq = carga sobre la partícula o potencial de NernstD = constante dieléctrica del líquidoS = espesor de la zona de influencia de la carga sobre la partícula

La estabilidad de los coloides depende de la resultante de las fuerzas de atracción y repulsión queactúan sobre ellos. Las fuerzas de atracción, llamadas fuerzas de Vander Waals, son causadas por lainteracción de dipolos de las partículas, ya sean permanentes o inducidas. La fuerza de repulsión, osea la estabilidad del coloide en sistemas de coloides hidrofóbicos, aquellos que repelen el agua,caso más común en el tratamiento de aguas para consumo, se debe al potencial zeta. Por lo tantopara lograr la aglomeración de las partículas se debe reducir la fuerza de repulsión de tal maneraque las fuerzas de atracción prevalezcan y se logre la colisión de partículas para formaragrupaciones que se puedan remover fácilmente por gravedad.

La disminución de la estabilidad de las partículas, o sea la reducción de las fuerzas de repulsión odel potencial zeta, se logra básicamente por los siguientes mecanismos:

a. Ajustando el pH al punto isoeléctrico, esto es al pH para el cual la carga neta de lapartícula se anula y el potencial zeta se hace cero.

b. Añadiendo iones de carga eléctrica contrataría a la de los coloides que se quierenremover; lo cual produce un doble efecto: primero, disminución de la carga eléctrica netadel colide con respecto al resto de la soluciones y, segundo, aumento de la concentraciónde iones en la solución, reduciendo la distancia a través de la cual la carga es efectiva.Mientras mayor sea la valencia del ion que se añade mayor será su poder de coagulación.

c. Esto se establece con la ley de Schulze – Hardy; “La precipitación de un coloide es efectuada poraquel ion del electrolito añadido que tenga una carga opuesta en signo a la de las partículascoloidales, y el efecto de dicho ion se incrementa tanto más cuanto mayor sea el número decargasque posea”. Las partículas coloidales y suspendidas que se encuentran en la mayoría de lasaguas superficiales están cargadas negativamente; esto explica por qué las sales de aluminio ohierro son las más usadas como coagulantes en ingeniería de tratamiento de aguas.


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Coagulantes.

En general, podemos decir quecoagulantes son aquellos compuestos de hierro o aluminiocapaces de formar un flóculo y que pueden efectuar coagulación al ser añadidos al agua. Por otraparte,ayudas de coagulación son substancias que producen poco o ningún flóculo al ser usadassolas, pero mejoran los resultados obtenidos con simples coagulantes.

Los coagulantes más usados son: sulfato de aluminio, sulfato ferroso y cal, cloruro férrico, sulfatoférrico, aluminato de sodio y cal. Entre las ayudas de coagulación se incluyen el cloruro demagnesio, el aluminato de sodio, la sílice activada, el almidón y gran número de polieléctrolitos demasa molecular alta.

Distinguiremos entrecoagulación, el proceso químico por el cual se añade un coagulante(substancia química) al agua con el objeto de destruir la estabilidad de los coloides y promover suagregación y,floculación, el proceso físico de mezcla rápida y lenta, por medio del cual seincrementa la posibilidad de choque entre partículas y por consiguiente la formación de flóculo. Sinembargo, es común referirse a coagulación como el proceso de adicción de coagulante, mezclarápida, floculación y sedimentación.

Sulfato de Aluminio (ALUMBRE).

El sulfato de aluminio es el coagulante estándar usado en tratamiento de aguas. El productocomercial tiene usualmente la fórmula Al2(SO4)3 14H2O con masa molecular de 600. El material esempacado en diversas formas: en polvo, molido, en terrones, en granos parecidos al arroz y enforma líquida.

Cuando se añaden soluciones de sulfato de aluminio al agua, las moléculas se disocian en Al+++ ySO4--. El Al+++ puede combinarse con coloides cargados negativamente para neutralizar parte de lacarga de la partícula coloidal, reduciendo así el potencial zeta a un valor en que la unión de laspartículas puede ocurrir.

El Al+++ puede también combinarse con los OH- del agua para formar hidróxido de aluminio.

Éste hidróxido de aluminio es de carácter coloidal, ya que absorbe iones positivos en solución paraformar un sol cargado positivamente. Dicho solo cargado positivamente neutraliza la carga de loscoloides negativos y ayuda a completar la aglomeración de los coloides negativos.

Casi siempre se forma un exceso de sol de hidróxido de aluminio y su destrucción y precipitaciónse logra mediante los iones sulfato y otros iones negativos presentes en el agua.

Con respecto a los coagulantes de hierro y a los de aluminio se puede afirmar que los cationesmetálicos reaccionan inmediatamente con el agua para formar iones metálicos hidroxilados ehidrógeno; los aniones permanecen libres o combinados con otros cationes.


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Los iones metálicos hidroxilados son adsorbidos por el coloide negativo y neutralizan su cargasuperficial permitiendo la coagulación. La coagulación por adsorción y neutralización de la carga eposiblemente el fenómeno predominante en soluciones de alta concentración de coloides.

Como se dijo previamente, los coloides también pueden ser barridos por los flóculos formados, alser entrampados dentro de ellos durante la floculación y sedimentación; en otras palabras, losprecipitados de Al(OH)3 entrampan los coloides efectuando una coagulación de barrido, la cualpredomina en algunas soluciones de concentración coloidal baja. Debe tenerse en cuenta, sinembargo, que si se sobredocifica el coagulante, el fenómeno puede revertirse y resurgir el coloidenegativo causando nuevamente el problema de turbiedad y/o color.

En general lo complejos de carga positiva más alta son más efectivos en la reducción del potencialzeta y por lo tanto en efectuar la coagulación; por ésta razón es importante que el sulfato dealuminio sea distribuido a través de toda la masa de agua rápidamente, con el fin de que se logre elcontacto con todas las partículas coloidales antes de que se presente la formación de las especiesmenos deseables. Esto se logra mediante una mezcla instantánea que provea una buenadistribución del coagulante en el menor tiempo posible, un período no mayor de 10 segundos.

Durante la floculación, generalmente un período de 10 – 30 minutos, se completa la aglomeraciónde las partículas y crecen los flóculos hasta una condición adecuada para su sedimentación.Durante la sedimentación el flóculo se asienta para dejar un líquido clarificado. Cuando se añadesulfato de aluminio al agua, éste reacciona con la alcalinidad natural del agua para formar flóculosde hidróxido de aluminio:

Al2(SO4)3 14H2O +3Ca(HCO3)2 2Al (OH)3 +3 CaSO4+14H2O +6CO2

La masa molecular del sulfato de aluminio es aproximadamente de 600. El bicarbonato de calciorepresenta alcalinidad, la cual se expresa como CaCO3, con masa molecular de 100. El CO2 tienemasa molecular 44. Dadas estas relaciones de masa, se deduce de la ecuación anterior que cadamg/L de alumbre disminuye la alcalinidad del agua en 0.5mg/L y produce 0.44mg/L de CO2.

La producción de CO2 es indeseable puesto que incrementa la corrosividad del agua; además, laecuación muestra también cómo se presenta una conversión de bicarbonato de calcio en sulfatode calcio, o sea una reducción de la dureza carbonatada y un aumento de la no carbonatada, locual es también desventajoso desde el punto de vista de remoción de dureza.

Si el agua no contiene alcalinidad natural suficiente para reaccionar con el alumbre, es necesarioañadir la alcalinidad necesaria. Esto se hace normalmente con cal o soda ash:

Al2(SO4)3 14H2O +3Ca(HCO)2 2Al(OH)3 +3CaSO4+14H2OAl2(SO4)3 14H2O +3Na2CO3 +3H2O 2Al(OH)3 + 3Na2SO4+14H2O

La cal es menos costosa que el Na2CO3; la cal incrementa el contenido de dureza no carbonatada;la soda incrementa la corrosividad.

La dosis de alumbre varía normalmente entre 5 a 50 mg/L para aguas naturales. Comúnmente elpH efectivo para coagulación con alumbre es 5.5 a 8.0 y se prefiere para tratar aguas superficialesde buena calidad por ser el único químico necesario para la coagulación.


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Sulfato Ferroso.

El sulfato ferroso comercial, FeSO4 – 7H2O, se empaca como cristales o granos verdes fácilmentesolubles en agua.

El sulfato ferroso reacciona con la alcalinidad del agua para formar bicarbonato ferroso,Fe(HCO3)2, el cual es bastante soluble. Para que sea útil como coagulante debe existir la oxidacióndel ion ferroso en ion férrico insoluble.

La reacción es la siguiente:

FeSO4 7H2O + Ca(HCO3)2 Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7H2O

La oxidación del ion ferroso puede lograrse mediante cal y aireación un oxígeno disuelto delagua; por ello, en la mayoría de los casos, el sulfato ferroso se emplea con cal para elevarsuficientemente el pH a un valor en que los iones ferrosos se precipitan como hidróxido férrico.

Sulfato Férrico.

El sulfato férrico se consigue en forma cristalina y puede dosificarse en seco o líquido. No es tancorrosivo como el cloruro férrico pero debe manejarse con equipo resistente a la corrosión.Opera bien en un intervalo amplio de valores de pH y es bastante usado en el tratamiento deaguas con alto contenido de manganeso, ya que promueve su remoción con bastante éxito a unpH mayor de 9.0.

Las reacciones son las siguientes:

Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3 CaSO4 +6 CO2Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3 + 3 CaSO4

Cal.Cuando se usa solamente cal como precipitante, las reacciones son las siguientes:

Ca(OH)2 + H2CO3 CaCO3 + H2OCa(OH)2 + Ca(HCO2)3 2CaCO3 +2H2O

Por lo tanto, debe agregarse una cantidad de cal suficiente para que combine con todo el ácidocarbónico libre y con el ácido carbónico de los bicarbonatos; así se produce el carbonato decalcio, el cual actúa como coagulante. Si en el agua existiese acidez mineral también sería necesarioneutralizarla antes de que la precipitación pueda ocurrir.

Alcalinidad requerida para la Coagulación.

Según las ecuaciones vistas anteriormente se hace evidente que el agua debe contener alcalinidadsuficiente para que las reacciones de coagulación puedan ocurrir. La tabla 5.3 resume lasalcalinidades requeridas para coagulación, en mg/L de alcalinidad por mg/L de coagulante.


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Ayudad de la Coagulación.

Las ayudas de coagulación son generalmente sustancias químicas agregadas para optimizar lacoagulación, formar un flóculo más fuerte y más sedimentable, superar caídas de temperatura queretardan las coagulación, reducir la cantidad de coagulante requerido y disminuir la cantidad dellodo producido.

Existen muchas ayudas de coagulación; las tres más generalizadas son:

SÍLICE ACTIVADA:Se ha usado desde hace más de 50 años con alumbre; en dosis apropiadas,aumenta la tasa de coagulación, reduce la dosis de alumbre y amplía el intervalo de pH efectivopara coagulación. Se prepara a partir de silicato de sodio, Na2SiO3, “activado” mediante unmaterial adecuado, por ejemplo, ha sido hipocloroso o ácido sulfúrico, para reducir alcalinidad.Tiene la ventaja de fortalecer el flóculo, hacerlo más denso, más grande y de asentamiento másrápido, mejorando normalmente la remoción de color. Usualmente se agrega después del alumbreaunque también se usa antes de adicionar el coagulante. Nunca se agrega directamente con elalumbre pues reacciona con éste. Tiene la desventaja de requerir control cuidadoso durante supreparación o activación y durante la dosificación.

POLIELECTROLITOS:Son compuestos orgánicos sintéticos que tienen la habilidad de causarla agregación de suelos y sólidos, finamente divididos, en suspensiones acuosas. Comercialmenteexisten diferentes polielectrolitos, fabricados bajo diversos nombres por distintas compañías,efectivos como ayudas de coagulación. La dosis y el tipo de electrolito deben determinarse paracada agua mediante ensayos de coagulación.

Los polielectrolitos se clasifican como catiónicos, aniónicos y no iónicos. Los catiónicos sonpolímeros que al disolverse producen iones de carga positiva, se usan por lo tanto bastante enaguas naturales y pueden también utilizarse como coagulante primario o acompañados de alumbreo sulfato férrico. Los polielectrolitosaniónicos son polímeros que al disolverse producen iones decarga negativa y por lo tanto se usan para remover sólidos de carga positiva, generalmenteacompañados de alumbre o un coagulante de hierro.

Los polielectrolitos no iónicos al disolverse producen tanto iones positivos como negativos ypueden usarse como coagulante o ayuda de coagulación, aunque se utilizan dosis más grandes quelas de los otros dos tipos.


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Las dosis normales de polímeros catiónicos y aniónicos son de 0.1 a 1 mg/L, para polímeros noiónicos de 1 a 10 mg/L. Sin embargo, el uso de los polímeros es limitado por su alto costo. La EPAtiene una lista de ayudas de coagulación aprobadas para ser empleadas en plantas de potabilización.

AGENTES LASTRADORES:Son materiales que al ser agregados al agua forman partículasadicionales que promueven la formación del flóculo. Se usan para tratar aguas de color alto, bajaturbiedad y bajo contenido mineral que producen flóculo muy pequeño de baja sedimentabilidad.Los más comunes son arcillas como la bentonita, caolinita, montmorillonita, caliza y sílicepulverizada. La bentonita ha sido muy usada, en dosis generalmente de 10 a 50 mg/L, para producirflóculo de rápido asentamiento.

pH óptimo para la Coagulación.

El valor del pH es uno de los factores de mayor importancia y efecto sobre el proceso decoagulación, de acuerdo con Haney el pH afecta la solubilidad de los precipitados formados por elhierro y el aluminio, así como el tiempo requerido para formación de flóculos y la carga sobre laspartículas coloidales. El pH óptimo para la remoción de coloides negativos varían según lanaturaleza del agua, pero usualmente cae entre pH 5.0 a 6.5.En las curvas de solubilidad para los hidróxidos férrico y de aluminio, figura 5.2, se observa quecon pH ‹ 3.5 los OH - son insuficientes para precipitar el Fe+++ completamente; por la mismarazón, es necesario tener una alcalinidad residual durante la coagulación química. También debeanotarse que la solubilidad del Al (OH)3 aumenta el pH ›7; lo cual es debido a la formación del ionaluminato a pH alto o sea a las propiedades anfóteras del Al (OH)3.Vale la pena recordar aquí que los hidróxidos metálicos insolubles de carácter básico, como elhidróxido férrico, son solubles en ácidos pero no en bases, por el contrario, los hidróxidos nometálicos insolubles de carácter ácido son solubles en bases, pero no en ácidos. Sin embargociertos hidróxidos como los de aluminio, Zinc y Cromo entre otros, son solubles tanto en ácidoscomo en bases. Estos hidróxidos son conocidos como hidróxidos anfóteros.


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Ensayo de Jarras.

El ensayo de jarras es uno de los más importantes en el control del proceso de coagulaciónquímica de aguas. Se realiza, entre otro, con los siguientes propósitos:

-Selección del tipo de coagulación más efectivo.-Determinación del pH óptimo de coagulación.-Evaluación de la dosis óptima de coagulante.-Determinación de la dosis de ayudas de coagulación.-Determinación del orden más efectivo de adición de los diferentes productos químicos.-Determinación de los niveles óptimos de mezcla, gradientes de velocidad y tiempos de mezcla.-Evaluación de la necesidad de proveer floculación y sedimentación previa a la filtración ofactibilidad de filtración directa.

Éste ensayo ha sido ampliamente usado; su resultado tienen gran aplicabilidad en el diseño y laoperación real de las unidades de tratamiento, así como en la optimización de plantas existentes.El procedimiento requiere como datos previos mínimos los valores de pH, turbiedad, color yalcalinidad del agua cruda. La unidad de mezcla típica consiste en una serie de agitadores de paletasacoplados mecánicamente para operar a la misma velocidad, generalmente entre 10 a 100 RPM.Como jarras de coagulación se han usado vasos de precipitado, generalmente de uno a dos litros,así como jarras rectangulares de dos litros en acrílico transparentes, como las recomendadas porHudson. Los valores del gradiente de velocidad, para el aparato generalmente usado en ellaboratorio, se indican en las tablas 5.5 y 5.6.

pH

Como se observó previamente, los coagulantes operan mejor dentro de intervalos particulares depH. La observación y el registro del pH del agua ayudarán al operador a seleccionar la dosis y eltipo de coagulante, así como a tomar decisiones sobre la necesidad de ajustar su valor antes deaplicar el coagulante.

Turbiedad.

Constituye posiblemente el parámetro más útil en el control del proceso, un incremento en laturbiedad del agua clarificada indicará al operador en forma muy rápida, la necesidad de investigarlas posibles causas del problema.


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Filtrabilidad.

Es el método de ensayo más usado para determinar que tan efectivamente se puede filtrar un aguacoagulada. El ensayo mide la cantidad de agua filtrada en un lapso determinado. Generalmente sehace aplicando una porción pequeña de agua realmente coagulada (afluente o efluente delfloculador) a un filtro piloto de 15cm de diámetro que contiene el mismo tipo y profundidad demedio filtrante que los filtros de la planta; simultáneamente se determina la turbiedad del efluentefiltrado.Este ensayo permite visualizar, el corto tiempo (unos 10 minutos gasta el agua en ser filtrada porel filtro piloto), un problema de coagulación. Además, es un ensayo muy confiable pues se utilizaagua realmente coagulada y no una simulación de laboratorio. Por otra parte, tiene la ventaja deque permite cambiar las dosis de coagulantes antes de que se deteriore la calidad del efluente de laplanta, puesto que generalmente el tiempo de retención después de la floculación es mayor de doshoras.


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Criterios generales de dosificación.

ALUMBRE:Se recomienda una concentración de la solución de 60 g/L o 6%; tiempo mínimo deretención de la cámara de disolución de 5 minutos; tuberías de PBC, polietileno, polipropileno omaterial similar, y aplicación por gravedad.

CLORURO FÉRRICO LÍQUIDO:Se recomienda no diluirlo y emplear tuberías de plástico ode acero recubierto de caucho. Para cloruro férrico sólido, lo mismo que para alumbre, lasolución debe tener concentración mayor del 25%.

SULFATO FÉRRICO: Se recomienda solución al 25% y en ningún caso menor del 1%; tiempode retención de la cámara de disolución, 20 minutos; tuberías de plástico, de caucho o de aceroinoxidable 316.

SULFATO FERROSO: Se recomienda la forma granular; solución al 6% con tiempo deretención de 5 minutos en la cámara de disolución; tuberías de plástico; de caucho, de plomo o deacero inoxidable tipo 304.

CAL VIVA:Se recomienda cal que pase tamiz de 3/4„‟ y ser retenidos por lo menos el 95% sobretamiz No. 100, para facilitar manejo y evitar polvo; dosificación por gravedad, hasta donde seaposible por canales abiertos; accesorios en plástico; en caucho, en acero o en concreto.

CAL APAGADA: Se recomienda solución máxima al 6%, tiempo de retención de 5 minutos enla cámara de disolución y uso solamente en plantas pequeñas con dosificaciones menores de 113kg/h.

3. Cloración

Desinfección es el término aplicado a aquellos procesos en los cuales microorganismos patógenospero no sus esporas, son destruidos. El propósito primario de la desinfección del agua es el deimpedir la diseminación de enfermedades hídricas. La importancia del control de enfermedadestransmisibles por el agua es hoy en día evidente; sin embargo, fue sólo hasta 1854 que sedemostró la importancia del agua como vehículo de algunas enfermedades.

Teoría de la Desinfeccion.

En general, la tasa de mortalidad de los microorganismos obedece a la siguiente ley:

Donde:

K = constante de velocidad de radiación para un desinfectante determinado.N = número de organismo viables.t= tiempo de contacto

la ley anterior, ley de Chick, establece que la rapidez con que disminuye la cantidad demicroorganismo es proporcional al número de ellos.Integrando,

= -Kt


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o,

Donde:

N0 = número inicial de organismosNt = número de organismo para el tiempo tk= 0.4343 k

Además

t= log

Puesto que Nt nunca alcanzará un valor igual a cero, es normal especificar la mortalidad como unporcentaje, es decir 99.9%. La constante de reacción dependerá de cada desinfectante, de laconcentración del desinfectante, la temperatura, el ph y otros factores ambientales.

La desinfección con cloro no obedece a la ley anterior; la relación aplicable es la siguiente:=-KNt

Integrando y cambiando a base 10 se obtiene:

t2=

Para pH = 7

K= 1.6 x 10-2 para residuales de cloro libre.

K= 1.6 x 10-5

para residuales de cloro combinadoResumiendo, la tasa de desinfección con cloro es función del tiempo de contacto, del número yclase de organismos, de la dosis de cloro, del tipo de residual de cloro, del pH y de la temperatura,principalmente.

Cloración.

La popularidad del cloro como desinfectante se debe a las razones siguientes:

- Existe disponible como gas, líquido o en forma granular.- Es relativamente barato.-

Es fácil de aplicar por cuanto es relativamente de solubilidad alta; aproximadamente 7000mg/L a 20 °C y presión atmosférica. Sin embargo, a temperaturas menores de 9.6 °C secombina con agua para formar un sólido cristalino, hielo de cloro o Cl2 o 8H2 O; y a 100°C y 1 atmósfera de presión en insoluble.

- En concentraciones que son insaboras e inocuas para consumo humano deja un residual ensolución, el cual provee protección sanitaria en el sistema de distribución.

- Tiene una alta característica de toxicidad para los microorganismos causantes deenfermedades hídricas.

- Es un agente oxidante poderoso.


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Entre sus desventajas se señalan:

- Es un gas venenoso que requiere manejo cuidadoso.- Es altamente corrosivo en solución.- Forma con los fenoles clorofenoles, los cuales dan origen a problemas serios de olores.- Forma algunas sustancias orgánicas trihalometanos, de los cuales el cloroformo es de

máximo interés por sospecharse que es agente cancerígeno.Química de la Cloración.

El cloro ha sido usado principalmente como desinfectante para el control de microorganismo enaguas de consumo, aguas residuales, piscinas, lodos, etc., así como oxidante para la oxidación dehierro y manganeso; para control de olores y sabores, oxidación de sulfuros, remoción deamoniaco y color orgánico y oxidación de cianuros.

En purificación y tratamiento de aguas el cloro se usa como gas generado a partir de lavaporización de cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmentehipoclorito de sodio, NaOCl, y como sólido, comúnmente hipoclorito de alto grado, HTH, ohipoclorito de calcio, Ca(OCl)2 .

Tanto el cloro elemental gaseoso como el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma:

Cl2 + H2 O= HOCl + H+ + Cl-

Para concentraciones de cloro menores de 1000 mg/L, caso general en la práctica, la hidrólisis esprácticamente completa si el PH es mayor de 3. Como puede observarse en la ecuación anterior,la adición de cloro gaseoso al agua bajará su alcalinidad y consecuentemente se PH debido a laproducción del ácido fuerte, HCl, y del ácido hipocloroso, HOCl.

El ácido hipocloroso se ioniza para formar ion hipoclorito:

HCOl = OCl- + H+

Como es evidente, la disociación del ácido hipocloroso depende de la concentración de ionhidrógeno, o sea del PH. A PH de 6 o menor la disociación del HOCl se inhibe; el residual espredominantemente HOCl; a PH igual a 7.7 los residuales de HOCl y OCl- son aproximadamentesimilares y a PH igual o mayor que 9.0 casi todo el residual es OCl-

Las especies HOCl y OCl- en el agua constituyen lo que se denominacloro libre disponible oresidual de cloro libre.

El ácido hipocloroso HOCl es el desinfectante más efectivo; el ion hipoclorito es relativamenteinefectivo en comparación con el ácido hipocloroso; por ello, la desinfección más letal con cloroocurre a PH bajo, o sea en medio ácido. En general e considera que el HOCl es 80 a 100 vecesmás efectivo que el OCl- para exterminarE.coli.


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Si el cloro se dosifica como hipoclorito de sodio se tiene:

NaOCl Na+ + OCl-

OCl- + H2 O HOCl + OH-

En este caso se presentará un incremento de alcalinidad, dependiente de la magnitud con que elOCl- reaccione con el agua. Finalmente, si el cloro se agrega como hipoclorito de calcio, HTH setiene:

Ca (OCl)2 Ca++ + 2OCl-2OCl- + 2H2 O 2HOCl + 2OH-

En efecto será, entonces, un aumento tanto de la alcalinidad como de la dureza total del agua.Si existe amoniaco, el ácido hipocloroso reaccionará con él para producir monocloramina,dicloramina y tricloramina.

NH3 + HOCl NH2 Cl + H2 O MonocloraminaNH2 Cl + HOCl NHCl2 + H2 O DicloraminaNHCl2 + HOCl NCl3 + H2 O Tricloramina

Todo el cloro presente en el agua en forma decloraminas es lo que se conoce comoclorocombinado disponible o residual de cloro combinado. Dependiendo de la dosis del cloro,el PH, de la cantidad de amoniaco, del tiempo de contacto y de la temperatura, el cloroeventualmente oxida el amoniaco en nitrógeno gaseoso, nitrato y otros compuestos de nitrógeno.Entre PH 4.5 y 8.5 se forman mono y dicloramidas. Teóricamente, a temperatura ambiente y PHmayor de 8.5 existen solamente mococloraminas, y a PH alrededor de 4.5 existen solamentedicloraminas.

El tricloruro de nitrógeno se produce cuando el PH es menor de 4.4.

Los residuales de cloro combinado son más estables que los residuales libres, pero menosefectivos como desinfectantes. Para una mortalidad determinada, con residual constante, lasformas de cloro combinado requieren un tiempo de contacto cien veces mayor que el requeridopor el residual libre. A la vez, en un tiempo de contacto contante, la concentración de residualcombinado debe ser 25 veces la concentración de residual libre para producir la mortalidaddeseada.

Evidentemente, la demanda de cloro varia para diferentes aguas; aun para la misma agua dependede la dosis de cloro aplicada, de la magnitud y tipo de residual deseado, del tiempo de contacto,del PH y de la temperatura. En general, a mayor tiempo de contacto y mayor temperatura delagua, más efectiva es la desinfección; por el contrario, a PH alto disminuye la concentración deácido hipocloroso y por consiguiente disminuye la efectividad de la cloración.

Reacciones de la Demanda de Cloro

LUZ SOLAR: Las soluciones de cloro no son estables cuando se exponen a la luz solar; laradiación ultravioleta provee energía para la reacción del cloro con el agua; de ahí su consumo engran cantidad en espacios abiertos, por ejemplo en piscinas.

2HOCl ENERGÍA2HCl + O2


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REACCIÓN CON SUSTANCIAS INORGÁNICAS: El cloro, como agente oxidantepoderoso, se combina rápidamente con los sulfuros, H2 S, NO2- , Mn++ , Fe++ , NH3 .

Cl2 + 2Fe++ = 2Fe++++ 2Cl-HOCl + H+ + 2Fe++ = 2Fe++++ Cl- + H2 O

Las dos reacciones anteriores, por ejemplo, ocurren casi instantáneamente a un PH cercano omayor de 7.0.

Las reacciones del cloro con S= y NO2- siguen la misma tendencia anterior. La reacción con Mn++ ocurre solamente a PH mayor de 8.5.

H2 S + 4Cl2 + 4H2 O = H2 SO4 + 8HClHOCl + NO2- = NO3- + HCl

La reacción anterior indica cómo cada mol de NO2- , 46 g de NO2 o 14 g de NO2 – N, consumeun mol HOCl, 52.5 g de HOCl o 71 g de HOCl – Cl2.

Por consiguiente, cada miligramo de NO2 – N/L consume aproximadamente 5 mg/L de HCOl – Cl2.La reacción de oxidación del amoniaco con el cloro puede producir monocloramina, NH2 Cl;dicloramina, NHCl2; tricloramina, NCl3 , o diferentes productos de nitrógeno libres de cloro comola hidracina, N2H4; la hidroxilamina, NH2OH; nitrógeno gaseoso, N2; óxido nitroso, N2O; óxidonítrico, NO, nitritos, nitratos o tetróxidos de nitrógeno, N2O4. Ejemplos de estas reacciones son:

2NH3 + 3HOCl = N2 + 3H2O + 3HCl2NH3 + 3Cl2 = N2 + 6HCl

REACCIONES CON NITRÓGENO ORGÁNICO: El cloro reacciona fácilmente conmuchos compuestos orgánicos de nitrógeno de la misma manera que lo hace con el amoniaco.Son comunes las reacciones con las aminas orgánicas o compuestos con el grupo – NH2, -NH-, o – N = como parte de su molécula.

El cloro en los compuestos formados con el nitrógeno orgánico no pierde, en ningún caso, sucapacidad oxidante, sin embargo, deja de ser tan potente como el ácido hipocloroso o lamonocloramina como desinfectante.

Un ejemplo típico de reacción del cloro con un compuesto orgánico de nitrógeno es el de lareacción con metilamina para formar clorometilamina y diclorometilamina.

CH3NH2 + HOCl CH3NHCL + H2OCH3NHCl+ HOCl CH3NCl2 + H2O

REACCIONES CON FENOLES: El cloro reacciona con el fenol, C6H5OH, y con loscompuestos que contienen el grupo fenólico. Teniendo en cuenta que en aguas de consumopueden existir fenoles como consecuencia de contaminación industrial o descomposición natural, yque los clorofenoles son compuestos muy olorosos, alguno en muy bajas concentraciones. Enaguas residuales se ha encontrado que el fenol es biodegradable y que no se presentas efectostóxicos para los microorganismos en concentraciones menores de 500 mg/L.


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FORMACIÓN DE TRIHALOMETANOS: Los trihalometanos son compuestos químicosorgánicos que contienen un átomo de hidrógeno, un átomo de carbono y tres átomos de cloro,bromo o yodo. Por lo tanto, tienen como fórmula general CHX3, donde X puede ser Cl, Br o I. delos trihalometanos, el de mayor interés ha sido el cloroformo, CHCl3 , o troclorometano, que esel más común en aguas de consumo; se ha demostrado que es carcinógeno en roedores, por locual constituye un riesgo potencial para los seres humanos.

ÁCIDOS HALOACÉTICOS: Dentro de los subproductos de la desinfección del agua concloro, son de interés los ácidos haloacéticos por sus efectos sobre el sistema nervioso y el hígado.Estudios hechos con ratas indican que el ácido dicloroacético y el ácido tricloroacético soncarcinógenos para animales. La USEPA limita el contenido total de ácidos haloacéticos a unaconcentración de 0.06 mg/L.

Los cinco ácidos haloacéticos son:

Ácido monoclorocético

Ácido dicloroacético

Ácido tricloroacético

Ácido monobromoacético

Ácido dibromoacético

Control de la Cloración.

Según Culp, para una inactividad exitosa de virus mediante cloración se requiere:

- Turbiedad del agua menor de 1- PH del agua cercano a 7.5 en aguas con amoniaco y menor de 7.0 en aguas libres deamoniaco

- Mezcla rápida, uniforme y eficiente del cloro con el agua.- Residual de cloro libre de 0.5 – 1.0 mg/L para un periodo de contacto mayor de 30

minutos.


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Según el NRC (1956), con un tiempo de contacto de 30 minutos, la eliminación completa debacterias requiere un residual de cloro libre mayor de 0.2 mg/L para PH menor de 9.2 y mayor de0.6 mg/L para PH igual a 10. Alternativamente, el residual de cloro combinado debe ser mayor de2 mg/L para PH menor de 6.8 y mayor de 3 mg/L para PH igual a 10.

La eliminación de quistes requiere residuales de cloro mucho mayores que los requeridos paraeliminar bacterias. Con temperatura de 22-25 °C. Tiempo de contacto de 30 minutos y PH decloro libre, y de 20 mg/L para temperaturas de 2-5 °C. Si el PH es mayor de 7.0 se requierenresiduales mayores de 10 mg/L de cloro libre para temperaturas de 2-5 °C y mayores de 3 mg/Lpara temperaturas de 22-25 °C.

La conversión de remociones porcentuales en términos de unidades log es muy sencilla; lasunidades log corresponden al número de nueves de la remoción porcentual. Así, por ejemplo:

Si % R = 90%, entonces, log = 1 log de remociónSi % R = 99%, entonces, log = 2 log de remociónSi % R = 99.9%, entonces, log = 3 log de remociónSi % R = 99.99%, entonces, log =4 log de remoción

En general:

x= log R=1- x

X = logR = 1

Donde:X = unidades log de remociónR = remoción fraccional

Métodos de determinación.


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Método OTA.

OTA o método de la ORTOTOLIDINA-ARSENITO.

La ortotolidina es un compuesto aromático oxidable en solución ´cid por el cloro, las cloraminas yotros oxidantes; esta oxidación produce un complejo de color amarillo que a PH< 1.8 esproporcional a la cantidad de oxidantes existentes.El método se basa en el hecho de que los residuales de cloro libre reaccionan instantáneamentecon ortotolidina para formar una holoquinona de color amarillo, que las cloraminas reaccionanmucho más lentamente. La intensidad del color amarillo es proporcional a la cantidad de clororesidual presente, obedece la ley de Beer y permite determinar la concentración de cloro porcomparación colorimétrica. El arsenito es un agente reductor mucho más fuerte que laortotolidina y reduce las clorominas instantáneamente evitando que reaccionen con laortotolidina. Tanto los nitritos como las formas oxidadas del manganeso oxidan la ortotolidinapara producir holoquinonas e introducir errore en la determinación. Las interferencias se puedendeterminar separadamente para hacer las correcciones pertinentes.


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Método DPD-colorimétrico.

El método DPD, N, N-dietil-parafenildiamina,, permite diferenciar cloro libre, monocloramina,dicloramina y tricloramina. La reacción, entre el cloro libre y el DPD produce instantáneamenteun color rojo. La adicion subsecuente de una cantidad catalizadora de yoduro hace que lamonoclororamina, NH2Cl, produzca color. La adicion de un exceso de yoduro hace que ladicloramina, NHCl2, y la tricloramina, NHCl3, produzcan color. Si el yoduro se agrega antes delDPD, una porción de las tricloraminas reacciona con la fracción de cloro libre y es posible obtenerun estimativo de la cantidad de tricloramina, NCl3, existente en la muestra. La medida del color sehace con un espectrofotómetro.

Método DPD-titulométrico.

Este método utiliza DPD como indicador y sulfato ferroso amoniacal como titulador.Como se indicó en el numeral anterior, el DPD reacciona instantáneamente con el cloro residuallibre, en ausencia de ion yoduro, para producir color rojo. La adición posterior, a la mismamuestra, de una cantidad pequeña de ion yoduro I- , cataliza la reacción y hace que lasmonocloraminas produzcan color rojo; una agregcion adicional de ion yoduro en exceso, en formade KI, produce una reacción rápida con la dicloramina y la tricloramina. El color rojo se titula consolución de sulfato ferroso amoniacal, FAS, hasta que la solución sea incolora. El método sesimplifica y se hace muy sencillo para determinar cloro libre, cloro combinado y cloro total.

Bibliografía.

R. S. Ramalho,Tratamiento de aguas residuales , editorial Reverte, Última edición.

Unidad 4. Procesos Unitarios

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