UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA ANÁLISIS TÉCNICO DE LA OPERACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DEL PROCESO DE RECUBRIMIENTO METÁLICO PROYECTO DE GRADUACIÓN SOMETIDO A LA CONSIDERACIÓN DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA COMO REQUISITO FINAL PARA OPTAR POR EL GRADO DE LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA MARÍA JOSÉ FALLAS WILLIAMS CIUDAD UNIVERSITARIA” RODRIGO FACIO” SAN JOSÉ, COSTA RICA 2015
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MARÍA JOSÉ FALLAS WILLIAMS - Universidad de Costa Rica
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UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
ANÁLISIS TÉCNICO DE LA OPERACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DEL PROCESO DE
RECUBRIMIENTO METÁLICO
PROYECTO DE GRADUACIÓN SOMETIDO A LA CONSIDERACIÓN DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA COMO REQUISITO FINAL PARA OPTAR POR EL GRADO DE
LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA
MARÍA JOSÉ FALLAS WILLIAMS
CIUDAD UNIVERSITARIA” RODRIGO FACIO”
SAN JOSÉ, COSTA RICA
2015
ii
Epígrafe
“El que persevera alcanza”
v
RESUMEN
El objetivo del presente proyecto fue realizar un análisis técnico de la operación de una planta de tratamiento, de aguas residuales provenientes del proceso de recubrimiento metálico, para determinar alternativas de mejora.
El sistema de tratamiento de las aguas residuales en estudio se divide en dos secciones: la primera consiste en tratar el agua proveniente de los enjuagues realizados a las bandas de pines metálicos recubiertas en el proceso de galvanoplastia, para posteriormente utilizarla nuevamente en las líneas de producción; la segunda sección trata las aguas ácidas y básicas provenientes de los baños agotados con el fin de que cumplan con los parámetros de calidad nacionales para luego descartarlas y enviarlas a la planta de tratamiento de la zona franca.
La caracterización físico-química realizada al agua residual del proceso de galvanoplastia que es tratada en la sección 1 y en la sección 2 de la planta de tratamiento, determinó que las concentraciones de DQO, DBO, grasas y aceites, cianuro, sólidos suspendidos y sedimentables son inferiores a los respectivos límites máximos permitidos en el Reglamento de Vertido y Reúso de Aguas Residuales 33601-S-MINAE. Así como que poseen pH ácidos, concentración de estaño superior a la permitida, concentración de cobre y níquel superiores a los máximos en el caso de la sección 2, e inferiores en la sección 1.
Posterior a la caracterización, se definió que era necesario analizar parámetros como el pH, sólidos sedimentables, sólidos suspendidos y metales a la entrada y salida de cada una de las operaciones que contempla el sistema de tratamiento de aguas, y con ello realizar su respectiva evaluación.
De la evaluación del desempeño de la planta, se obtiene que después de llevar a cabo todo el tratamiento el agua presenta un pH superior a 7, por lo que se debe neutralizar antes de ser reutilizada o vertida en la planta de tratamiento de la zona franca. También, de acuerdo con el estudio realizado, pareciera ser necesario colocar una operación antes o después del sistema de ósmosis inversa que elimine el exceso de estaño; sin embargo, se recomienda llevar a cabo una mayor cantidad de muestreos para determinar sí esa operación realmente es necesaria o no.
A partir del estudio, se ve la necesidad de colocar medidores de flujo a lo largo del sistema de tratamiento, con el fin de tener mayor control de la planta. Así como la realización del correcto mantenimiento de las membranas
Como alternativa, se propone y dimensiona un sistema de tratamiento, partiendo del volumen total del agua (baños gastados, enjuagues, otras aguas) y la concentración de los constituyentes presentes. El sistema se compone de cinco tanques de almacenamiento, dos tanques neutralizadores, un sedimentador de fondo cónico, y de manera opcional se recomienda aprovechar el sistema de ósmosis inversa que tiene la empresa.
vi
ÍNDICE GENERAL
Epígrafe .................................................................................................................................. ii
Dedicatoria ............................................................................................................................ iii
Agradecimientos .................................................................................................................... iv
RESUMEN ............................................................................................................................. v
ÍNDICE GENERAL .............................................................................................................. vi
ÍNDICE DE CUADROS ........................................................................................................ x
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... xii
CAPÍTULO 5: CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES ......................... 40
5.1 Muestreo y metodología para la determinación de los parámetros físico-químicos de los afluentes de la sección 1 y sección 2 ...................................................................... 40
5.2 Caracterización de los afluentes ............................................................................. 41
5.3 Muestreo y metodología para la determinación de los parámetros físico-químicos a la entrada y salida de cada operación ............................................................................. 43
5.4 Caracterización de la entrada y salida de cada unidad del sistema de tratamiento 45
CAPÍTULO 6: EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LA PLANTA DE
Cuadro 3.1 Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en el alcantarillado sanitario ...................................................................................................... 17
Cuadro 3.2 Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en un cuerpo receptor. ............................................................................................................................. 17
Cuadro 4.1 Dimensiones del tanque de pretratamiento para la ósmosis inversa ................. 24 Cuadro 4.2 Capacidad volumétrica de los tanques de almacenamiento utilizados en la
planta de tratamiento del agua residual. ............................................................................ 37 Cuadro 5.1 Características físico-químicas del afluente de la sección 1 y sección 2 de la
planta de tratamiento del agua residual ............................................................................. 42 Cuadro 5.2 Parámetros de calidad determinados a la entrada y salida de cada uno de los
equipos de la Sección 1 y Sección 2 ................................................................................. 44 Cuadro 5.3 Especificaciones del equipo utilizado en la determinación de los parámetros
físico químicos del agua residual ...................................................................................... 45 Cuadro 5.4 Caracterización realizada en los puntos de muestreo de la sección 1 del
tratamiento de las aguas residuales. .................................................................................. 46 Cuadro 5.5 Caracterización realizada en los puntos de muestreo de la sección 2 del
tratamiento de las aguas residuales. .................................................................................. 47 Cuadro 6.1 Caracterización físico-química en el tanque de pretratamiento. ....................... 49 Cuadro 6.2 Caracterización físico-química en el tanque de alimentación OI ..................... 50 Cuadro 6.3 Caracterización físico-química en el sistema de ósmosis inversa .................... 51 Cuadro 6.4 Calidad del agua posterior a los tratamientos de purificación ......................... 52 Cuadro 6.5 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 1 .............................. 53 Cuadro 6.6 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 2 .............................. 56 Cuadro 6.7 Precipitación de metales mediante el uso de diferentes reactivos ................... 56 Cuadro 6.8 Caracterización físico-química en el sistema de microfiltración ...................... 59 Cuadro 6.9 Valores de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de la sección 1 .............. 60 Cuadro 6.10 Valores de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de la sección 2 ............. 61 Cuadro 7.1 Dimensiones del tanque de almacenamiento de las aguas provenientes de los
enjuagues ........................................................................................................................... 67 Cuadro 7.2 Dimensiones de los tanques de almacenamiento de las aguas provenientes de
los baños ácidos y básicos ................................................................................................. 68 Cuadro 7.3 Dimensiones del tanque de almacenamiento de las aguas provenientes del
tratamiento de resinas ........................................................................................................ 69 Cuadro 7.4 Dimensiones del tanque neutralizador utilizado en el tratamiento de las aguas
residuales ........................................................................................................................... 71 Cuadro 7.5 Relaciones adimensionales empleadas en el dimensionamiento del sistema de
Cuadro 7.6 Dimensiones del sistema de agitación para los tanques neutralizadores .......... 72 Cuadro 7.7 Características del sistema de agitación de cada uno de los tanques
neutralizadores. ................................................................................................................. 72 Cuadro 7.8 Características del sistema de agitación del tanque de floculación .................. 73 Cuadro 7.9 Dimensiones del sedimentador utilizado en el tratamiento de las aguas
residuales. .......................................................................................................................... 75 Cuadro 7.10 Concentración de contaminantes en muestra de tanque de almacenamiento
durante el tratamiento consecutivo de las muestras. ........................................................ 77
xii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Esquema del proceso de galvanoplastia. .............................................................. 5 Figura 2.2 Principio del recubrimiento electrolítico. ............................................................. 7 Figura 4.1 Diagrama del proceso de tratamiento de aguas residuales efectuado actualmente
en la empresa de interés. ................................................................................................ 22 Figura 4.2 Tanque de pretratamiento. .................................................................................. 24 Figura 4.3 Tanque de alimentación OI. ............................................................................... 25 Figura 4.4 Ósmosis Inversa. ................................................................................................ 26 Figura 4.5 Detalle de los tipos de partícula ......................................................................... 27 Figura 4.6 Unidad de osmosis inversa. ................................................................................ 27 Figura 4.7 Descripción de la etapa de oxidación del cianuro mediante cloración alcalina. 29 Figura 4.8 Tanque de reacción 1. ......................................................................................... 31 Figura 4.9 Tanque de concentración. ................................................................................... 32 Figura 4.10 Detalle de los tipos de partícula que la microfiltración es capaz de separar. ... 33 Figura 4.11 Descripción del proceso de microfiltración. .................................................... 33 Figura 4.12 Módulo de microfiltración que se utiliza en la empresa. ................................. 34 Figura 4.13 Sedimentador utilizado en la empresa de interés. ............................................ 35 Figura 4.14 Filtro de prensa de platos utilizado en la empresa de interés. .......................... 36 Figura 4.15 Tanques de almacenamiento del agua residual ................................................ 37 Figura 4.16 Tanque de almacenamiento, V-103 y T-108 respectivamente ......................... 38 Figura 4.17 Agitadores utilizados para el mezclado del agua de los tanques de reacción (V-
103 y V-108) .................................................................................................................. 39 Figura 5.1 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 1 del tratamiento que se
lleva a cabo en la empresa. ............................................................................................ 46 Figura 5.2 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 2 del tratamiento que se
lleva a cabo en la empresa. ............................................................................................ 48 Figura 6.1 Precipitación de sales de metal contra pH. ......................................................... 54 Figura 6.2 Curvas de precipitación de sales de metal contra pH ......................................... 57 Figura 6.3 Precipitación de los principales metales en función del pH y determinación de
los pH a los cuales no se superan los límites determinados en la figura ....................... 58 Figura 6.4 Diseño del tanque de concentración con la colocación de la placa. ................... 63 Figura 7.1 Distribución de la planta de tratamiento propuesta ............................................ 65
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso agotable, además es vital e indispensable para la sobrevivencia de
todo ser vivo, y como tal es importante no contaminar sus fuentes y controlar su uso. Sin
embrago, hoy día la mayoría de las personas, por no decir que todas, saben y conocen la
importancia del agua y los cuidados que se debe tener respecto a su consumo, pero aún
algunas personas mantienen el pensamiento de hace ya algunas décadas atrás, de: “el agua
es inagotable” o “no hay problema en dejar el tubo abierto todo el día, no pasa nada”; así
como el “no importa que las aguas residuales vayan a dar a los ríos u océanos”.
Sin embargo, en la actualidad se conoce que no es así, que el agua potable en muchas partes
del mundo es escasa; en algunos lugares, los habitantes deben planificar y controlar muy
bien su uso, porque se encuentran limitados a que sólo una vez por semana pase un camión
cisterna a abastecerlos de agua.
Además, se sabe que toda actividad humana tiene un impacto dentro y fuera de su entorno;
las que contaminan no sólo alteran el equilibrio ecológico y causan la mortalidad de
algunas especies animales y vegetales, sino que pueden destruir en forma definitiva la vida.
Es por ello que en la mayoría de países industrializados han tomado conciencia de este reto
que obliga a realizar un alto a la destrucción del medio ambiente. (Chávez Porras,
Cristancho Montenegro, & Ospina Granados, 2009).
Es así que cada uno de los sectores industriales y de los hogares sean los únicos
responsables de sus propias aguas residuales, viéndose en la obligación de evitar o
minimizar los impactos negativos al ambiente, ya sea a través de la implementación de
prácticas de prevención de la contaminación o mediante el tratamiento adecuado de las
aguas residuales antes de ser vertidas al medio ambiente.
2
Un correcto tratamiento de las aguas residuales, trae consigo diversos beneficios, ya que es
una cadena, en la que al mejorar un aspecto se mejora otro indirectamente. Al tratar las
aguas residuales y obteniéndose una calidad que no perturbe el cuerpo receptor (ríos, lagos
u océanos) en donde es vertida, se disminuye el desarrollo de enfermedades que afectan la
salud de las personas.
El ámbito económico para muchas industrias se ve beneficiada puesto que el agua residual
tratada puede ser utilizada en las líneas de producción, o bien, en el mantenimiento de la
planta, camiones, jardines; disminuyendo de esta manera el gasto en el consumo de agua.
La empresa en la que se desarrollará el proyecto, es una transnacional que fabrica
conectores electrónicos y realiza un proceso de galvanoplastia (“plating”), el cual consiste
en un recubrimiento con estaño, oro y/o níquel de los pines a utilizar posteriormente en sus
conectores; generando efluentes principalmente inorgánicos, que por sus características de
toxicidad resultan nocivos para el ser humano y su entorno, principalmente por la presencia
de metales pesados como el níquel.
Por el tipo de agua residual que se obtiene del recubrimiento metálico, la empresa posee
una planta de tratamiento exclusiva para estas aguas residuales; dentro de los equipos u
operaciones empleados en dicho tratamiento se encuentran la microfiltración y la osmosis
inversa.
Este proyecto nace debido a los problemas que el sistema de tratamiento presenta en cuanto
a los parámetros de salida. Los encargados señalaban al módulo de ósmosis inversa como el
generador de estos inconvenientes. Sin embargo, se definió que era pertinente analizar cada
una de las unidades del sistema de tratamiento, y luego determinar si el problema en la
planta de tratamiento radica propiamente en la osmosis inversa, o en otra(s) unidad(es). Por
ello, la caracterización inicial se realizará en los afluentes y no en los efluentes.
3
El objetivo del presente proyecto fue realizar un análisis técnico de la operación de la
planta de tratamiento, de aguas residuales provenientes del proceso de recubrimiento
metálico, para determinar alternativas de mejora.
4
CAPÍTULO 2
PROCESO DE RECUBRIMIENTO METÁLICO
Esta sección describe el proceso de electrodeposición (galvanoplastia) también denominado
“plating”. El principal interés es identificar las operaciones del proceso de recubrimiento, y
de esta manera comprender globalmente el proceso e identificar los contaminantes más
comunes y sus fuentes.
2.1 Descripción del proceso de galvanoplastia
La galvanoplastia es una técnica que consiste en la electrodeposición de un recubrimiento
metálico sobre una superficie que puede ser o no metálica (Chávez Porras, Cristancho
Montenegro, & Ospina Granados, 2009); con el objeto de aumentar su capacidad de resistir
agentes corrosivos, mejorar sus propiedades, y aumentar su resistencia a la fricción y a la
abrasión. Por lo general, el cromo, oro, níquel, cadmio, zinc, plata y cobre son los metales
más utilizados en los procesos de galvanoplastia.
Un proceso de recubrimiento metálico consta de diferentes etapas de preparación de la
superficie. La instalación industrial está compuesta de cubas, las cuales almacenan baños de
preparación y de recubrimiento seguido de tanques de enjuague (Chávez Porras, Cristancho
Montenegro, & Ospina Granados, 2009). En la Figura 2.1 se muestra un esquema del
proceso de galvanoplastia.
2.1.1 Desengrase
La eliminación de aceites, grasas e impurezas superficiales del material base, es el fin con
que se realiza la etapa de desengrase. Se lleva a cabo mediante la inmersión de las piezas en
disolventes orgánicos o soluciones acuosas alcalinas (Centro Nacional de Producción más
Limpia y Tecnologías Ambientales, s.f).
5
La composición y alcalinidad de las soluciones detergentes dependen de dos aspectos: el
primero, la naturaleza del metal o de la aleación que se va a limpiar; y segundo, del
procedimiento utilizado, siendo este por inmersión en solución alcalina o por desengrase
electrolítico. (García Víquez, 1995)
Figura 2.1 Esquema del proceso de galvanoplastia. Fuente: Adaptado de (Universidad Pontificia Bolivariana; Centro Integrado para el
Desarrollo de la Investigación; Grupo de Investigaciones Ambientales, 2005)
2.1.2 Decapado
Esta fase de preparación del material, consiste en remover las escamas, óxidos y manchas
por medio de un baño químico. El decapado es diferente según el metal a tratar, en el caso
del hierro y el acero, el mismo se realiza mediante la inmersión del material en un baño de
ácido clorhídrico (Instituto de Metais Não Ferrosos, s.f) y ácido sulfúrico diluidos, o bien
en uno de sólo ácido nítrico diluido.
Recepción de la materia
prima/Disposición de la banda metálica
Desengrase
Enjuague Decapado
Enjuague
Electrodepositación del metal
Enjuague
Secado
Almacenamiento
6
Con este tratamiento, se forman sales de las capas oxidadas del metal; y como resultado de
ello, se produce oxígeno, que facilita el desprendimiento de la capa de óxido. La
concentración del baño se encuentra en un ámbito de 5-20% en peso del ácido (García
Víquez, 1995).
Cuando el metal a tratar es cobre se utiliza ácido sulfúrico diluido; y si el metal es níquel el
decapado se realiza con ácido sulfúrico al 20% a una temperatura de 60 a 80°C; mientras
que las aleaciones de cromo-níquel que son resistentes a los ácidos, se decapan con la
mezcla de ácido fluorhídrico y ácido nítrico diluidos. (García Víquez, 1995)
2.1.3 Enjuagues
El lavado se realiza entre cada una de las etapas de desengrase, decapado y
electrodeposición con agua limpia, bien sea por inmersión o por aspersión para eliminar los
residuos de la etapa anterior (FUNDES, 1999). Los enjuagues que se llevan a cabo después
del desengrase se realizan para evitar manchas y recubrimientos irregulares en el material
que en etapas posteriores será recubierto.
El objeto de realizar un lavado a las piezas provenientes del decapado es evitar el arrastre
del ácido a las siguientes etapas del proceso. Al igual que en las etapas anteriores después
de cada “baño de metal” se efectúa un lavado, para todos los lavados se utiliza agua a
temperatura ambiente, a excepción del último (antes de ser el material secado) el cual se
realiza con agua caliente con la finalidad de eliminar en su totalidad los residuos.
2.1.4 Electrodeposición
La electrodeposición es un método de recubrimiento metálico que “se produce haciendo
pasar una corriente eléctrica entre un electrodo de trabajo y otro auxiliar separados por un
electrolito, provocando sobre el primer electrodo una reacción de oxidación o reducción
que lleva consigo la formación sobre el mismo de un depósito insoluble en el electrolito.”
(Bijani Chiquero, 2007, pág. 22)
7
Los baños de recubrimiento electrolítico se dividen en baños ácidos y alcalinos. Los baños
ácidos contienen sulfatos, cloruros, fluoroboratos y sulfamatos de los metales a depositar;
mientras que los baños alcalinos se establecen sobre la base de complejos de hidróxidos o
Nota: La muestra del punto 6, corresponde a una muestra compuesta de las 4 corrientes numeradas con dicho número en la Figura 5.2. En dicha figura, se señalan dos puntos de muestreo 10, sin embargo la muestra se realizó en uno de los puntos, debido a que ambas corrientes no trabajan al mismo tiempo, si no que una empieza a funcionar sólo si la otra se encuentra detenida por fallo o mantenimiento. Lo mismo ocurre con el punto de muestreo 11.
La temperatura del agua durante todo el tratamiento, tanto en la sección 1 como en la sección 2, se mantiene dentro del intervalo (15 °C ≤ T ≤ 40 °C) que permite la legislación costarricense.
48
Figura 5.2 Distribución de los puntos de muestreo en la sección 2 del tratamiento que se lleva a cabo en la empresa.
49
CAPÍTULO 6
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
En el presente capítulo se detalla el desempeño de la planta de tratamiento del agua residual
del proceso de recubrimiento metálico, mediante la determinación de los parámetros de
calidad requeridos, y correspondientes a la entrada y a la salida de cada una de las unidades
o equipos de estudio.
6.1 Sección 1
En el Cuadro 6.1 se muestra la caracterización del agua en el tanque de pretratamiento. En
el mismo se aprecia un aumento del pH en tres unidades, que se debe a la adición de
sustancias químicas, en este caso de hidróxido de sodio con el objeto de cumplir con la
función de este tanque, aumentar el pH del agua hasta aproximadamente 7 para su posterior
ingreso al módulo de osmosis inversa. Lo anterior es un indicativo de que el objetivo que se
tiene en esta etapa se está cumpliendo.
Cuadro 6.1 Caracterización físico-química en el tanque de pretratamiento.
Parámetro Entrada Salida
Sólidos suspendidos (mg/L) 45 25
Sólidos disueltos (mg/L) 530 810
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0
CE (µS/cm) 383 448
pH 3,23 6,29
Cobre (mg/L) 0,134 0,130
Níquel (mg/L) 0,161 0,107
Estaño (mg/L) 26,4 29,5
Temperatura (°C) 22 23,7
50
También, se observa un aumento en la concentración de los sólidos disueltos y del estaño;
dicho comportamiento se puede deber a una anterior acumulación en el tanque y un arrastre
de esos sólidos acumulados por parte de la corriente de salida.
En el Cuadro 6.2 se presenta la caracterización del agua en el tanque de alimentación OI
(V-107), en la cual en cuanto a los sólidos sedimentables y a los sólidos disueltos no hay
diferencia alguna entre la entrada y la salida, cuyo comportamiento era de esperar, debido a
que este tanque sólo tiene la función de almacenar el agua por un corto periodo, esto con el
fin de asegurar que el agua entre al sistema de osmosis en las condiciones adecuadas;
mientras para las concentraciones de níquel y cobre se muestran variaciones muy pequeñas
las cuales pueden deberse a la incertidumbre del equipo de absorción atómica.
Cuadro 6.2 Caracterización físico-química en el tanque de alimentación OI.
Parámetro Entrada Salida
Sólidos suspendidos (mg/L) 25 10
Sólidos disueltos (mg/L) 810 810
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0
CE (µS/cm) 448 448
pH 6,29 6,86
Cobre (mg/L) 0,13 0,10
Níquel (mg/L) 0,107 0,11
Estaño (mg/L) 29,50 24,60
Temperatura (°C) 23,70 23,40
En el Cuadro 6.3 se presenta la caracterización físico-química del agua en el sistema de
ósmosis inversa, en el mismo se puede apreciar que el permeado no contiene sólidos
suspendidos ni sólidos sedimentables, obteniendo un porcentaje de remoción del 100% para
51
los sólidos suspendidos. Así como, una eficacia de remoción del 98,8% de los sólidos
disueltos. De tal manera, el sistema de ósmosis inversa cumple con uno de sus objetivos.
Cuadro 6.3 Caracterización físico-química en el sistema de ósmosis inversa
Parámetro Entrada Salidas
Permeado Concentrado
Sólidos suspendidos (mg/L) 10 0 15
Sólidos disueltos (mg/L) 810 10 355
Sólidos sedimentables (mL/L) 0 0 0
CE (µS/cm) 448 622 622
pH 6,86 4,29 3,38
Cobre (mg/L) 0,101 0,002 0,203
Níquel (mg/L) 0,11 0,065 0,182
Estaño (mg/L) 24,6 2,2 12,5
Temperatura (°C) 23,4 23,3 23,2
Las concentraciones de cobre y níquel al igual que la temperatura, tanto a la entrada como a
la salida, se encuentran dentro de lo permitido por la legislación de vertido de aguas en un
cuerpo receptor. En cuanto a los metales, el sistema sólo eliminó el 41% de níquel, cuando
se espera que removiera el 80% (valor suministrado por el fabricante), en cambio, la
remoción de cobre fue de 98% superando lo esperado.
De acuerdo con la literatura, al purificar el agua con ósmosis inversa, la menor
concentración que se obtiene de los metales pesados es de 0,1 mg/L (Cuadro 6.4). Esto
puede ser la razón por la cual no se logró un porcentaje de remoción de níquel mayor al
obtenido, ya que la concentración final de este metal fue de 0,065 mg/ L, siendo la misma
inferior a la concentración teórica que puede obtenerse con la utilización de esta operación.
52
Cuadro 6.4 Calidad del agua posterior a los tratamientos de purificación
Agua
ciudad
Destilación
simple
Destilación
triple
Osmosis
inversa
Material inorgánico (mg/L) 170 1,0 0,3 20
Resistencia específica
(megohms/cm) a 25 °C 0,003 0,5 2,0 0,025
Silicatos (mg/L) 1,0 0,1 0,05 0,1
Metales pesados (mg/L) 1,0 0,1 0,05 0,1
Materia orgánica (mg/L) 12,0 1,0 Menos de 1,0 Menos de 1,0
Microorganismos/mL 100 Menos de 10 Menos de 10 10
Fuente: Modificado de (Dharan, 2002, pág. 58)
Caso contrario al níquel y cobre, ocurre con la concentración del estaño y el pH; respecto a
la concentración del estaño, esta presentó una remoción del 91,06% (Ver Cuadro B.4), sin
embargo el efluente (Permeado) incumple con el reglamento debido a que se encuentra 0,2
mg/L por encima del valor límite máximo permitido, mientras que el pH se encuentra por
debajo del límite inferior (5 ≤ pH ≤ 9) establecido en el reglamento. Lo anterior indica que
dicha agua no puede ser utilizada en las líneas de producción sin antes aumentar el pH y
disminuir la concentración de estaño.
Lo que respecta a la remoción del estaño, puede no ocurrir por mal funcionamiento del
sistema, sino por un exceso de este metal, lo que hace parecer que se requiere colocar un
tratamiento anterior o posterior a la ósmosis para disminuir la concentración de estaño en la
corriente, esto con el fin de no generar problemas en las líneas de producción.
En cuanto al concentrado, se muestran concentraciones de níquel, estaño, cobre y sólidos
suspendidos y disueltos superiores a las reportadas para el permeado; lo cual puede
presentarse debido a que “cuando el agua pasa a través de la membrana, quedan retenidas
especies químicas, moléculas e iones de mayor tamaño al diámetro del poro de la
membrana, generando de esta manera que el agua que ha traspasado la membrana
53
(permeado) quede bastante purificada y el agua que no pasó la membrana sea agua residual
concentrada” (Esteban Santos, 2010, pág. 97).
6.2 Sección 2
En el Cuadro 6.5 se presenta la caracterización en el tanque de reacción 1 (V-111), en el
cual se observa una disminución significativa en las concentraciones de níquel y cobre,
presentando una remoción del 51,61% y 57,13% respectivamente, y un aumento del pH,
estos cambios pueden llevarse a cabo por la adicción de hidróxido de sodio.
Cuadro 6.5 Caracterización físico-química en el tanque de reacción 1 (V-111).
Residuos electrolisis Co, Cu, Ni H2O2, ácido oxálico 93-99 Co, Cu, Ni
Fuente: Modificado de (Hernández Sánchez, 2011)
57
El porcentaje de remoción puede atribuirse al valor de pH utilizado, ya que de acuerdo con
la Figura 6.2 a un pH de 11 se logra precipitar el cobre y níquel, generando que sus
concentraciones sean bajas (0,15 y 0,01 mg/L respectivamente). No obstante, sí se trabaja a
un pH de 10, la solubilidad de los dos metales sería menor; de tal manera que se puede
alcanzar concentraciones de níquel y cobre aún menores a las conseguidas a pH de 11.
Figura 6.2 Curvas de precipitación de sales de metal contra pH Fuente: Modificado de (Simon, 2008)
Según la Figura 6.3, el estaño precipita con hidróxido de sodio a pH entre 4,25 y 9,75; estos
valores se encuentran dentro del intervalo de pH que contempla todo el proceso del tanque
2, por lo que es de esperar que precipite. Sin embargo, el estaño no precipita y la corriente
de salida tiene mayor concentración de este metal; este comportamiento puede deberse a
que “el zinc, aluminio, estaño y cromo III pueden disolverse nuevamente a pH muy elevado
58
en función del álcali empleado” (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental,
1997, pág. 108). Tal y como se observa en la siguiente figura, a pH superior a 10 y
utilizando NaOH, la precipitación del estaño no se lleva acabo; más bien su solubilidad
incrementa.
Figura 6.3 Precipitación de los principales metales en función del pH y determinación de los pH a los cuales no se superan los límites determinados en la figura
La separación de los sólidos en esta unidad se produce por la diferencia de densidades entre
el agua y los lodos.
El tiempo de retención en la sedimentación debe ser entre 1 a 3 horas, según indica la
literatura (California State University, Sacramento; Department of Civil Engineering;
Office of Water Programs, 1986). Teniendo en cuenta lo recomendado, para el
75
dimensionamiento del sedimentador, se tomará un tiempo promedio, siendo el mismo de
120 minutos (2 horas).
Conociendo el tiempo de retención, y con un caudal de 24 gpm, se determina el volumen
con ayuda de la ecuación 7.3. Además, el sedimentador tiene fondo cónico con ángulo de
inclinación de 60 °.
En el Cuadro 7.9 se muestra las dimensiones del sedimentador, la altura tiene un 20% de
seguridad.
Cuadro 7.9 Dimensiones del sedimentador utilizado en el tratamiento de las aguas residuales.
Volumen Diámetro Altura
(m3) (m) (m)
10,90 2,40 2,88
Al finalizar el tiempo de sedimentación el lodo acumulado en la parte inferior del
sedimentador (sección cónica) es extraído por medio de una bomba. Los lodos son
enviados al filtro prensa que posee la empresa. El líquido clarificado es recuperado y
enviado al tanque neutralizador 2; posteriormente es enviada a un tanque de
almacenamiento. Se recomienda bombear el clarificado al módulo de ósmosis inversa que
tiene la empresa, con el fin de eliminar los sólidos disueltos, y tener agua con mejor calidad
para ser reutilizada en las líneas de producción.
Con el tratamiento propuesto se espera que se elimine o disminuya hasta un valor inferior al
permitido por la legislación la concentración el estaño presente en el agua. De no ocurrir lo
anterior, se recomienda utilizar sulfuro de hidrógeno o sales de sulfuro solubles como lo es
el sulfuro de sodio en lugar de hidróxido de sodio. Sin embargo, al utilizar sulfuros se debe
contemplar algunas de sus limitaciones severas debido a que si el pH se deja caer por
debajo de 8 se produce gas de sulfuro de hidrógeno, siendo este peligroso y liberado a la
atmosfera; los costos de precipitación son superiores a los que se incurren con la
precipitación química con hidróxidos. Puede llegar a ser necesario aplicar en el tratamiento
76
un proceso de oxidación, para oxidar cualquier sulfuro residual presente en el agua dada su
toxicidad. (García Víquez, 1995)
Luego de finalizado el periodo de practica en la empresa, no fue posible ingresar a la
misma para tomar más muestras o realizar pruebas adicionales, por lo que se recurrió a
realizar una investigación de estudios anteriores que tuvieran una relación aproximada al
tratamiento que se está proponiendo y utilizar sus datos teóricos como punto de
comparación. Debido a lo anterior se tomó como referencia el estudio realizado por el
Doctor Jacipt Ramón Valencia en el año 2014.
De acuerdo a la referencia citada, Ramón indica que “en los procesos de
coagulación/floculación los coagulantes más comunes son las sales de hierro Fe +3 y el
sulfato de aluminio, Al2(SO4)3, sin embargo este último es más usado para el tratamiento de
agua potable…” (Ramón Valencia, 2014) Es por ello que dentro de los polímeros
recomendados en el presente estudio se encuentran las sales FeCl3 y Fe2(SO4)3.
En el estudio realizado por Ramón, se crearon muestras de agua sintética sin previa
eliminación de CN- con la cuales realizaron ensayos con los dos floculantes. En tales
pruebas se encontró “que en los experimentos la velocidad de agitación más conveniente
era 135 rpm por 3 minutos para mezclar adecuadamente los reactivos y la muestra de agua
residual y luego una velocidad de 20 rpm hasta completar 20 minutos para formación de los
flóculos. La remoción de metales con las dos sales de hierro es similar, sin embargo con
FeCl3 la sedimentación de los flóculos era más lenta. Se encontraron concentraciones de
hierro residual del orden de 36,55 mg/L en las muestras de aguas tratadas con este reactivo
en comparación con 0,654 mg/L que fue la concentración de hierro residual al utilizar
Fe2(SO4)3, por lo cual para experimentos posteriores el coagulante usado simultáneamente
con el proceso de precipitación química con NaOH fue Fe2(SO4)3…” (Ramón Valencia,
2014, pág. 41).
77
Además, se determinó que el pH óptimo para precipitación química se localiza dentro de un
ámbito restringido de 9,5 a 12, ya que dentro de estos valores se encuentra la
mayor posibilidad de precipitación química de metales pesados.
En el estudio realizado por Jacipt Ramón, la dosis óptima de Fe2(SO4)3 con una
concentración de 4000 ppm fue 75 mL para volúmenes de muestra de 300 mL (Ramón
Valencia, 2014). Tomando lo anterior como referencia, para el tanque floculador del
tratamiento propuesto se requiere aproximadamente 227,5 L de sulfato de hierro (III).
Por otra parte, “la conductividad reportada inicialmente por las muestras fue 1877 µS/s y
disminuyó en un 60% después de todo el tratamiento, así mismo como dicho tratamiento se
realizó en un medio alcalino y se observaron cambios de pH después de cada etapa, como
punto final del proceso se ajustó el pH a 7 con lo cual disminuyó la alcalinidad de las
muestras. De otro lado se logró remover en su totalidad la concentración de iones Cl- y
aunque la remoción de sulfatos no representó un porcentaje considerable (19%), esto se
explica por el sulfato residual después del proceso de coagulación/floculación” (Ramón
Valencia, 2014, págs. 43-44).
La concentración de Cu, Ni y Fe residual en el estudio de Ramón se muestra en el Cuadro
7.10.
Cuadro 7.10 Concentración de contaminantes en muestra de tanque de almacenamiento
durante el tratamiento consecutivo de las muestras. (Ramón Valencia, 2014)
Parámetro Sin tratamiento
(mg/L)
Tratamiento H2O2
(mg/L)
Precipitación- Coagulacion
/Floculación (P-C/F)
(mg/L)
Cu 474,54 345,9 68,64
Ni 4,354 2,15 No detectable
Fe - - 6,293
Nota: en el estudio de referencia toman el dato “no detectable” como cero para efectos de cálculo.
78
Con base en los resultados del Cuadro 7.10, el porcentaje de remoción del níquel fue de
100%, mientras que para el cobre después de la etapa de precipitación-
Coagulación/Floculación fue del 85,53%, la cual no fue suficientemente efectivo para este
metal, es por ello que se debe emplear un proceso adicional como es la ósmosis inversa o el
caso del estudio de Ramón la implementación del proceso de adsorción sobre carbón
activado.
Aplicando los porcentajes de remoción obtenidos por Ramón a la planta de tratamiento
propuesta, se obtiene que la concentración final de níquel y cobre sería de 0 mg/L y 2 mg/L
respectivamente (Cuadro B.15). Esta última encontrándose por encima del límite que
maneja la empresa (basado en el vertido en cuerpo receptor); es por ello que se debe incluir
el sistema de ósmosis inversa tal y como indicó al principio, con el fin de alcanzar la
calidad de agua deseada.
En cuanto al estaño, Ramón Valencia en su estudio no hace referencia del mismo, y no se
dio con un estudio que tuviera un proceso semejante al propuesto. Sin embargo, este metal
puede reaccionar y precipitar con el hidróxido de sodio a un pH entre 4,25 y 9,75 (Figura
6.3) obteniéndose las siguientes reacciones según sea su número de valencia:
(7.5)
(7.6)
Y las reacciones del hidróxido de estaño con el Sulfato de hierro (III) son las siguientes:
(7.7)
(7.8)
79
CAPÍTULO 8
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1 Conclusiones
En el sistema de microfiltración se logró una remoción de 99,28%, 99,02% y
98,16% de cobre, níquel y estaño respectivamente.
En el sistema de ósmosis inversa se logró una remoción de 98,02%, 40,91% y
91,06% de cobre, níquel y estaño respectivamente.
El efluente de ambas secciones deben ser neutralizados antes de realizar el vertido
de las aguas.
La remoción de níquel, cobre y estaño en la sección 1 del tratamiento es de 59,63%,
98,51% y 91,67% respectivamente.
La remoción de níquel, cobre y estaño en la sección 2 del tratamiento es de 97,78%,
98,28% y 77,22% respectivamente.
No se puede determinar sí la planta de tratamiento funciona o no adecuadamente
debido a que no se contó con suficientes muestreos.
La instalación de una operación antes o después del sistema de ósmosis inversa
podría ser requerida para eliminar el exceso de estaño que hay presente, pero esto
no se puede afirmar sin que se realice una mayor cantidad de muestreos.
El pH de 4 utilizado en el tanque de reacción 1, es un valor atípico para lograr la
precipitación del cobre y níquel.
El dimensionamiento de la planta está para lograr una remoción del 95% de los
metales, y un 90% de sólidos sedimentables.
La potencia de mezclado de los agitadores seleccionados dependen de las
dimensiones del tanque.
80
8.2 Recomendaciones
El tanque de concentración debería tener un declive o inclinación en el fondo con el
fin de mejorar la eliminación de los sólidos sedimentables que se generan en el
mismo.
En el tanque de concentración se recomienda separar más la salida al sistema de
microfiltración de la salida al sedimentador, para evitar el envío de sólidos
sedimentables hacia el sistema de microfiltración.
Realizar la colocación de tomas y medidores de caudal a la entrada y salida de cada
una de las unidades que integran la planta de tratamiento, con el fin de estar
monitoreando periódicamente, y de tal manera poder determinar el desempeño de
cada una de esas unidades.
Realizar estudios adicionales para tener mayor cantidad de muestras representativas,
y de esta manera poder realizar un análisis más asertivo del comportamiento de la
planta de tratamiento de las aguas residuales.
La empresa debería realizar un estudio o revisión del proceso de recubrimiento en
sí, con el fin de mejorarlo y minimizar el consumo de agua provocando así una
disminución en la generación de agua residual.
Definir un horario de limpieza para los sistemas de microfiltración y osmosis
inversa.
Para el control del ensuciamiento de las membranas de la osmosis inversa, se
recomienda realizar una autopsia de membrana, la cual consiste es un ensayo
destructivo en el que un elemento de una instalación es sacrificado para su estudio
con el objetivo de resolver problemas como empeoramiento de la calidad del
permeado, disminuciones en el caudal de producción o aumento de la presión
diferencial detectados en la operación de la planta.
Para el control de ensuciamiento de las membranas de microfiltración, se
recomienda realizar la limpieza ácida, en caso de no funcionar se procede a realizar
la limpieza básica.
81
Realizar una prueba de jarras para determinar cuál de los polímeros recomendados
genera mayor eliminación de sólidos suspendidos.
82
CAPÍTULO 9
NOMENCLATURA
Símbolo Definición Unidades
A Área m2 Ancho cm CE Conductividad eléctrica µS/cm Diámetro M
Altura del impulsor respecto
al fondo del tanque M
Altura M Largo Cm
MF Módulo de microfiltración Adim. Velocidad de agitación rev/min Número de potencia Adim. Número de bombeo Adim. Potencia W, hp Profundidad Cm Caudal gal/min, m3/min Número de Reynolds Adim. SD Sólidos Disueltos mg/L
Temp Temperatura °C T-R1 Tanque de Reacción 1 Adim
T-R2 Tanque de reacción 2 Adim
Volumen gal, mL, m3 Ancho M Cualquier parámetro Cantidad de cubas o datos Adim. Potencial de Hidrógeno pH Tiempo S Densidad kg/m3
Viscosidad kg/m s
83
Subíndices Acid Activator Nickel Dragout Tanque
Tin Dragout Tanque de concentración Cuba o tanque
Cápsula vacía Cápsula más muestra seca Crisol más muestra seca Corriente requerida Crisol vacío Deflectores Entrada Impulsor Muestra
Promedio Salida Total
Porcentaje de remoción
84
CAPÍTULO 10
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90
APÉNDICES
91
A. Datos experimentales
Cuadro A.1 Datos para determinar el área y el volumen de los tanques actualmente utilizados para realizar el tratamiento de aguas residuales.
Cuadro A.4 Datos para determinar Sólidos Disueltos del agua en cada una de las tomas. Toma Masa cápsula+muestra (g) Masa cápsula (g) Volumen muestra (mL)
Cuadro A.10 Datos para determinar la capacidad volumétrica de cada cuba o tanque de la línea de producción, cuya agua es enviada al tanque de almacenamiento V-101 o v-102 después de cada mantenimiento de las líneas.
Cuadro B.9 Caudal del afluente del tanque V-105. Muestra Caudal (gal/min)
1 13,07
10,25
13,70
10,64 2 9,22
8,81
11,48
9,40 3 14,10 17,90 14,60 17,17
100
Cuadro B.10 Caudal promedio del afluente del tanque V-105. Muestra Caudal promedio (gpm)
1 11,91 2 9,72 3 15,94
Cuadro B.11 Volumen de cada una de las cubas de la línea de producción, cuya agua es enviada al tanque de almacenamiento V-101 o V-102 después de cada mantenimiento de las líneas.
Nombre de la cuba Volumen (m3) Destino
Cleaner Bath 0,22 T-8
Acid Activator 0,22 T-9 Nickel Dragout 0,13 T-9
Tin Dragout 0,13 T-9
Cuadro B.12 Volumen que le ingresa a los tanques de almacenamiento V-101 o V-102 después de cada mantenimiento de las líneas.
Tanque Volumen (m3)
T-8 0,374 T-9 0,408
Cuadro B.13 Área transversal del tanque neutralizador y tanque de floculación, número de Reynolds del agua presente en cada uno de estos tanques. Tanque Área Transversal Reynolds
Tanques Neutralizadores 0,87 591820 Tanque de floculación 0,87 294293,3
Cuadro B.14 Porcentaje de remoción de cobre y níquel obtenidos en el estudio efectuado por Jacipt Ramón Valencia.
Parámetro Concentración inicial
(mg/L)
Concentración final
(mg/L) % Remoción
Cobre 474,54 68,64 85,54 Níquel 4,354 0 100,00
101
Cuadro B.15 Concentración final de cobre y níquel que se obtendría en el tratamiento propuesto utilizando como referencia los porcentajes de remoción que obtuvo Jacipt Ramón Valencia.
Parámetro Concentración inicial
(mg/L)
Concentración final
(mg/L) % Remoción
Cobre 13,91 2,0120167 85,54 Níquel 22,64 0 100,00
102
C. Muestra de cálculo
C.1 Determinación del área de un tanque
El área de un tanque se calcula por medio de la siguiente ecuación:
(C.1)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.1, fila 3, columna 2 y 3; se tiene que:
(
)
C.2 Determinación del volumen de un tanque
El volumen de un tanque se calcula por medio de la siguiente ecuación:
(C.2)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.1, fila 3, columna 2 y 3; se tiene que:
C.3 Determinación del volumen requerido de cada corriente para generar una
muestra representativa del agua de entrada de V-111
El volumen requerido de cada corriente se calcula dividiendo su caudal por el caudal total y
el producto se multiplica por el volumen de muestra requerido.
103
(C.3)
Para una muestra de 2000 mL y sustituyendo los datos del Cuadro A.2, fila 2, columna 2;
se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.1, fila 2 y columna 2. Se calcula de la misma
manera para la corriente proveniente de V-101, V-102 y V-110.
C.4 Determinación de los Sólidos Suspendidos Totales del agua residual
Los Sólidos Suspendidos Totales se calculan al restar a la masa del crisol más la muestra
seca a 104 °C la masa del crisol vacío, y luego dividirlo entre el volumen de muestra
analizado, por medio de la siguiente ecuación:
(C.4)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.3, fila 2, columnas 2, 3 y 4, los cuales corresponden a
la toma 1 del diagrama del proceso; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.2 fila 2, columna 2. Se realiza el mismo
procedimiento para el cálculo de los sólidos suspendidos de las demás tomas.
104
C.5 Determinación de los Sólidos Disueltos del agua residual
Los Sólidos Disueltos se calculan al restar a la masa de la cápsula más la muestra seca la
masa de la cápsula vacía, y luego dividirlo entre el volumen de muestra analizado, por
medio de la siguiente ecuación:
(C.5)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.4, fila 2, columnas 2, 3 y 4; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.3, fila 2, columna 2.
C.6 Determinación de la concentración total de sólidos disueltos que ingresa al tanque
de concentración (V-113)
La determinación de la totalidad de sólidos disueltos en el afluente del tanque de
concentración se calcula sumando todas las corrientes que ingresan al mismo, por medio de
la siguiente ecuación:
∑ (C.6)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.4, fila 4 y columnas 2, 3 y 4.
105
Se realiza el mismo procedimiento para el cálculo de la totalidad de sólidos suspendidos,
sólidos sedimentables, y para la concentración de los metales que ingresan al tanque de
concentración por medio de las distintas corrientes. Se utiliza esta ecuación para calcular la
concentración total de cada uno de los parámetros en el afluente del sedimentador.
El cálculo de la totalidad de sólidos disueltos y demás parámetros en el efluente del tanque
de concentración y del sedimentador se realiza con esta ecuación (en lugar de sumar las
corrientes de entrada, se suman las de salida). Esta ecuación proviene de la ecuación del
balance de masa, lo único que se realizó fue calcular de manera individual las entradas y
las salidas.
C.7 Determinación del porcentaje de remoción de los parámetros en los distintos
equipos que componen la planta de tratamiento
El porcentaje de remoción de cada uno de los parámetros se calcula al restar a su valor de
entrada el valor de salida, y luego dividirlo entre el valor de entrada del parámetro en
estudio, por medio de la siguiente ecuación:
(C.7)
Sustituyendo los datos del Cuadro 6.3, fila 3, columnas 2 y 3, los cuales corresponden a los
sólidos disueltos para el sistema de ósmosis inversa; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.6, fila 3, columna 4. Se realiza el mismo
procedimiento para el cálculo del porcentaje de remoción de los sólidos suspendidos,
sólidos sedimentables, y para concentración de los metales.
106
C.8 Determinación del caudal del afluente del tanque V-105
El caudal se obtiene al dividir el volumen recolectado entre el tiempo de recolección de
dicho volumen, por medio de la siguiente ecuación:
(C.8)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.9, fila 2, columnas 2 y 3; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.8, fila 2, columna 2.
C.9 Determinación del caudal promedio del afluente del tanque V-105
El caudal promedio se obtiene al sumar todos los datos de caudales recabados determinados
y dividirlos entre la cantidad de muestras o datos, por medio de la siguiente ecuación:
∑
(C.9)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.9, filas 2, 3 4 y 5, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.10, filas 2, columna 2.
107
C.10 Determinación del volumen de las cubas de las líneas de producción cuya agua
posterior al mantenimiento de la línea es enviada al tanque de almacenamiento V-101
y V-102
El volumen de cada una de las cubas se determina al multiplicar el ancho, la profundidad y
el largo de la misma, mediante la siguiente ecuación:
(C.10)
Sustituyendo los datos del Cuadro A.10, fila 2, columnas 2, 3 y 4; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.11, fila 2, columna 2.
C.11 Determinación del volumen de agua que le ingresa a V-101
El volumen que le ingresa al tanque de almacenamiento T-8 corresponde al 85% del
volumen de cada una de las cubas de “cleaner bath”, y se determina mediante la siguiente
ecuación:
∑ (C.11)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.11, fila 2, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.12, fila 2, columna 2.
108
C.12 Determinación del volumen de agua que le ingresa a V-102
El volumen que le ingresa al tanque de almacenamiento T-9 corresponde al 85% del
volumen de cada una de las cubas de “Acid Activator”, Nickel Dragout, y Tin Dragout y se
determina mediante la siguiente ecuación:
∑ ∑( ) ∑ (C.12)
Sustituyendo los datos del Cuadro B.11, fila 3, 4 y 5, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.12, fila 3, columna 2.
C.13 Determinación del diámetro y altura de los tanques
Para determinar el diámetro y la altura de los tanques de almacenamiento se toma en cuenta
el agua generada en un turno de trabajo en el caso de las aguas de enjuagues; o bien, el
volumen generado por los baños agotados por semana en el caso de los baños ácidos y
básicos.
En el caso del tanque de floculación, los tanques neutralizadores y sedimentador se toma en
cuenta el volumen que le ingresa durante el tratamiento.
C.13.1 Cálculo del diámetro de los tanques
Para calcular el diámetro del tanque de almacenamiento para las aguas ácidas se utiliza la
siguiente ecuación:
109
(C.13)
Suponiendo la siguiente relación matemática entre el diámetro y la altura del tanque:
(C.14)
Empleando las ecuaciones C.13 y C.14, y sustituyendo el dato del Cuadro B.11, fila3,
columna 2, se obtiene:
(
)
El volumen utilizado es el generado semanalmente, representa los 4 mantenimientos.
El resultado se muestra en el Cuadro 7.2, fila 2, columna 3.
C.13.2 Cálculo de la altura de los tanques
Para calcular la altura del tanque de almacenamiento de las aguas ácidas se utiliza la
ecuación C.14, y aplicando un 20 % de seguridad:
(C.15)
Sustituyendo los datos del Cuadro 7.2, fila 2, columna 3, se obtiene:
El resultado se muestra en el Cuadro 7.2, fila 2, columna 4.
Todas las alturas de los tanques dimensionados se determinan de esta manera.
110
C.14 Determinación del volumen del tanque neutralizador
Para determinar el volumen de los tanques neutralizadores, se recurre a la siguiente
ecuación:
(C.16)
Utilizando el caudal de entrada y el tiempo de retención, 0,091 m3/min y 10 min
respectivamente; se obtiene:
El resultado se muestra en el Cuadro 7.4, fila 2, columna 1.
El volumen del tanque de floculación y del sedimentador se determina con la ecuación
C.16.
C.15 Determinación de la velocidad y la potencia del sistema de agitación
C.15.1 Determinación del área de sección transversal del tanque de agitación
El área de sección transversal del tanque neutralizador se calcula mediante la siguiente
ecuación:
(C.17)
Sustituyendo los datos del Cuadro 7.4, fila 2, columna 2; se tiene que:
El resultado se muestra en el Cuadro B.13, fila 2, columna 2.
111
C.15.2 Determinación de la velocidad de agitación del impulsor
La velocidad de agitación del agitador se determina en un proceso iterativo entre el número
de bombeo y el número de Reynolds, los cuales se calculan con la ecuación C.18 y C.19
respectivamente;
(C.18)
(C.19)
La velocidad de bombeo ( ) se selecciona de acuerdo a las necesidades en el proceso, en el
caso de los tanques neutralizadores se toma una velocidad de bombeo de 0,183 m/s,
mientras que para el tanque de floculación se toma una velocidad de 0,091 m/s.
La relación entre el número de bombeo y el número de Reynolds se muestra en la Figura
C.1 para distintas razones entre el diámetro del tanque y el impulsor. El número de bombeo
( ) es de 0,75 suponiendo un régimen turbulento, una relación entre el diámetro del
tanque y el diámetro de la turbina de 0,35.
Figura C.1 Número de Bombeo en función al número de Reynolds con parámetro ⁄ .
Fuente: Modificado de (Paul, Atiemo-Obeng, & Kresta, 2004)
112
Los cálculos se realizarán para el tanque neutralizador.
Sustituyendo los datos del Cuadro B.13, fila 2, columna 2 y del Cuadro 7.6, fila 2, columna
2; se obtiene la velocidad de agitación:
El resultado se muestra en el Cuadro 5.7, fila 2, columna 2.
Sustituyendo los datos, con el valor de la velocidad de agitación obtenida y la Ecuación
C.19 se determina el número de Reynolds; para su cálculo se toman las propiedades físicas
del agua a 25 °C.
El resultado se muestra en el Cuadro B.13, fila 2, columna 3.
C.15.3 Determinación de la potencia
Para calcular la potencia entregada al agua se utiliza la siguiente ecuación:
(C.20)
El número de potencia se obtiene a partir de la Figura C.2.
113
Figura C.2 Número de potencia en función al número de Reynolds de acuerdo con el tipo
de impulsor utilizado.
Sustituyendo los datos correspondientes, se obtiene:
El resultado se muestra en el Cuadro 5.7, fila 2, columna 1.
114
D. Métodos de análisis
D.1 Determinación de Sólidos Sedimentables
1. Colocar el cono inhoff en su base, y luego llenarlo hasta la marca de 1 litro con
muestra bien mezclada.
2. Dejar sedimentar durante 45 minutos, y a continuación remover suavemente las
paredes del cono con un agitador de vidrio, y posteriormente dejar sedimentando
cerca de 15 minutos más.
3. Registrar el volumen de los sólidos sedimentables del cono como mg/L.
D.2 Determinación de Sólidos Suspendidos Totales
1. Ensamblar el equipo de filtración, y el filtro previamente tarado; una vez realizado
se inicia la succión.
2. Humedecer el filtro con una pequeña porción de agua destilada para asegurar su
adhesión al crisol.
3. Agitar la muestra con un agitador magnético a velocidad suficiente para obtener un
mezcla homogenizada.
4. Pipetear una muestra de un volumen conocido y colocarla en el filtro.
5. Lavar el filtro con tres volúmenes sucesivos de agua destilada de 10 mL cada uno,
permitiendo el secado total entre lavados; y continuar la succión cerca de 3 minutos
para que se complete la filtración.
6. Remover el crisol con cuidado, y secarlo por al menos 30 minutos en el horno a
103-105 °C, luego dejarlos enfriar en un desecador hasta equilibrar la temperatura.
7. Pesar el crisol con el filtro. Repetir el proceso de secado, enfriado, desecado y
pesado hasta que la variación sea de un 4% del peso previo o de 0,5 mg entre
pesadas sucesivas.
115
D.3 Determinación de Sólidos Disueltos
1. Ensamblar el equipo de filtración, y el filtro previamente tarado; una vez realizado
se inicia la succión.
2. Humedecer el filtro con una pequeña porción de agua destilada para asegurar su
adhesión al crisol.
3. Agitar la muestra con un agitador magnético a velocidad suficiente para obtener un
mezcla homogenizada.
4. Pipetear una muestra de un volumen conocido y colocarla en el filtro.
5. Lavar el filtro con tres volúmenes sucesivos de agua destilada de 10 Ml cada uno, permitiendo el secado total entre lavados; y continuar la succión cerca de 3 minutos para que se complete la filtración.
6. Transferir el filtrado a una cápsula de porcelana previamente tarada, y evaporar en un horno a 103-105 °C hasta que se seque.
7. Colocar la cápsula durante 1 hora en el horno a 180 ±2°C. 8. Dejar enfriar la cápsula en un desecador hasta equilibrar temperatura. 9. Pesar la cápsula. Repetir el proceso de secado, enfriado, desecado y pesado hasta
que la variación sea de un 4% del peso previo o de 0,5 mg entre pesadas sucesivas.
116
ANEXOS
117
Minimización de residuos
La industria de galvanoplastia presenta ciertas dificultades con el consumo del agua, ya que
sólo en los enjuagues se utiliza el 95% de toda el agua del proceso de recubrimiento,
generando que este recurso sea uno de sus más preciados bienes y materia prima. (Centro
Nacional de Producción Más Limpia y Tecnologías Ambientales)
Por tanto, antes de realizar un cambio o modificación a la planta de tratamiento de aguas
residuales, sería importante buscar como disminuir los residuos, esto llevando a cabo un
estudio en las líneas de producción con el objeto de ejecutar medidas para evitar o
minimizar los residuos generados, debido a que “…a veces, el aspecto más importante de la
conservación del agua es el control de la contaminación mediante simples buenas prácticas
de comportamiento y algunas inversiones, logrando alcanzar ahorros desde el 15 hasta el
30%” (Centro Nacional de Producción Más Limpia y Tecnologías Ambientales, pág. 12)
Dentro de algunas medidas que pueden ser tomadas en cuenta están:
Sustituir los químicos de los baños
Una medida de este tipo, para reducir la generación de los residuos peligrosos, consiste en
cambiar los baños alcalinos con cianuro por baños sin cianuro. Estos baños pueden ser
bases ácidas o neutros dependiendo del metal.
Al sustituir baños de galvanizado cianurados y baños de cromo VI, se ahorran los costos de
la desintoxicación de las aguas de enjuague y residuales. Aunado a esto el riesgo para los
trabajadores se reduce en ambos casos. Sin embargo, la eficiencia de los baños sustitutos no
es la misma para todos los metales, de modo que antes de un eventual cambio debe
realizarse un análisis de viabilidad del nuevo método. Cada empresa deberá evaluar si es
factible el cambio de los baños tanto técnicamente como económicamente, esto último
considerando los costos de inversión y operación, así como la reducción en los costos de
tratamiento y disposición final.
118
Racionalizar los sistemas de enjuague
En cuanto a la clase de enjuague puede no ser necesario modificarla debido a que en la
empresa se utiliza lavado por aspersión, siendo este el tipo de enjuague más eficiente.
Según Ribera y Bosch, “este tipo de enjuague es muy eficaz y se comporta como una
sucesión de enjuagues en cascada ya que da lugar a un elevado rendimiento con muy poco
consumo de agua” (2006, pág. 69).
Los lavados por aspersión utilizan entre el 10 y 25% de la cantidad de agua que se requiere
utilizar en un enjuague simple corriente. Lo único que se recomienda a la empresa es que
revisen la disposición de las boquillas, la presión del agua, el caudal, el tiempo de aspersión
y el diseño mecánico de las boquillas, ya que estos “… factores tienen una marcada
influencia sobre la eficacia del enjuague” (Ribera Ferrando & Bosch Mossi, 2006, pág. 69).
Si la empresa desea cambiar la manera en que se realizan los enjuagues, se le recomienda
los lavados en cascada.
Lavados en cascada
Este consiste en conectar varias etapas de lavado en serie. El caudal de agua fluye en
contracorriente respecto a las piezas, de tal manera que se reutiliza repetidamente el agua
(Figura A.1). Es decir, el agua de lavado limpia ingresa en la última etapa de lavado, la cual
determina la eficacia de enjuague; la salida del agua de lavado se lleva a cabo en la primera
etapa tras el baño. (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental, 1997)
“El lavado de cascada, frente a los procesos de lavado, simples o de una etapa, permite
reducir el caudal necesario de agua de lavado en función del número de etapa de lavado
.” (IHOBE, S.A Sociedad Pública de Gestión Ambiental, 1997)
119
Figura A.1 Enjuague en cascada y contracorriente
Fuente: (Ribera Ferrando & Bosch Mossi, 2006)
El valor de puede calcularse a partir del volumen de solución arrastrada y del criterio
de lavado necesario en base a ala siguiente ecuación:
√
La figura A.2 muestra la variación de la razón de dilución ( ) en función de la relación de
los litros de agua de alimentación por litro de arrastre ( ).
Figura A.2 Grafica de relación de dilución en función de la relación
120
Otra operación
La siguiente operación pueden ser remplazo de las actuales, o bien, pueden ser aplicadas
simultáneamente con las operaciones ya existentes en el tratamiento de las aguas residuales.
Electrodiálisis
La electrodiálisis es una tecnología de membranas que permite la separación de los iones
contenidos en una disolución. Esta separación se obtiene mediante la utilización de
membranas selectivas de tipo iónico, aplicando entre ellas una diferencia de potencial
(Ribera Ferrando & Bosch Mossi, 2006).
Sus aplicaciones son las mismas que en el caso de la ósmosis inversa, es decir,
recuperación de materias primas y reciclaje de agua en un sistema de enjuagues, y reciclaje
de las aguas procedentes de un tratamiento fisicoquímico convencional (Ribera Ferrando &
Bosch Mossi, 2006). Por ello, la electrodiálisis puede ser una opción de operación que
sustituya la ósmosis inversa, si así lo quisiera la empresa.