Modulo4 PTA

MÓDULO 4 Ingeniería Civil - Departamento de Obras Civiles

Marcelo Bravo Fortune

MÓDULO 4

PROCESOS UNITARIOS

Procesos Químicos Unitarios Adición de productos químicos Desarrollo de reacciones químicas

INTRODUCCIÓN

Químicos

Neutralización Intercambio iónico Ablandamiento Precipitación Oxidación Desinfección

Físico - Químicos

Coagulación - Floculación

¿Qué es la neutralización? Control de la variación del pH mediante la aplicación

de sustancias químicas que controlan las reacciones acido - base

Neutralización

Cal; Soda Cáustica;

Dióxido de Carbono; Ácido Sulfúrico;

Alcalinizar Acidificar

¿Por qué es importante? Procesos rango de pH; Efluentesacidez/alcalinidad Normas de descarga;

Neutralización

Procesos de neutralización Mezclar efluentes ácidos y alcalinos en un ecualizador; Neutralizar ácidos en lechos de caliza (filtro);

Sistemas de Control Modo estático; Controladores automáticos;

¿Qué es? Reacciones químicas de sustitución entre un electrólito

en solución y otro en estado insoluble.

Aplicación Remoción de compuestos orgánicos

Eliminación de colorantes de la industria textil y del papel

Ablandamiento del agua

Intercambio iónico

¿En qué consiste? En la adición de productos químicos que cambian el

estado físico de los sólidos disueltos convirtiéndoles en insolubles y facilitando la remoción.

Aplicación Proceso más empleado para la remoción de metales; Magnesio, sílice, fluoruro, calcio (fracción); Fosfato disuelto

Precipitación

Alumbre Sales de hierro Algunos polímeros

Cal

Eliminación de metales mediante precipitación

Precipitación

Factores que influyen Naturaleza de las partículas en el agua residual; pH; Temperatura; Balance iónico;

Principales sustancias utilizadas sulfato de aluminio; aluminato de sodio; sulfato férrico; sulfato ferroso; óxido de calcio (cal);

Precipitación

hidróxido de calcio (cal hidratada);

carbonato de sodio

Precipitación

dosis óptima de precipitante; pH óptimo; sedimentabilidad de los precipitantes;

Prueba de jarras

Diversidad de constituyentes de

los residuos líquidos

Proceso de precipitación

Prueba de Jarras

Precipitación

Diferentes sustancias químicas

Misma sustancia/Diferentes dosis

¿Qué es? Coagulación

Coagulación-Floculación

Desestabilización de partículas suspendidas

Reducción o anulación de las fuerzas que las mantiene separada

Reactivos químicos

Mezcla rápida

Coagulantes; la superficie de las partículas; la alcalinidad del agua; el agua misma;

¿Qué es? Floculación


Transporte de partículas

desestabilizadas

Realicen contacto «choquen»

Mezcla lenta

Flóculos de mayor tamaño y/o densidad

Sedimentación; Flotación; Filtración;

¿Para qué se realiza? Remoción de partículas de tamaño pequeño,

coloidales, que no sedimentan o lo hacen en forma muy lenta Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica; Remoción del color verdadero y aparente; Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos

susceptibles de ser separados por coagulación Destrucción de algas y plancton en general Eliminación de substancias productoras de sabor y olor Eliminación de substancias productoras de precipitados

químicos


La sedimentación de partículas pequeñas



Tratada con coagulante Río de agua turbia dispersión fina de

partículas diminutas.

Partículas Coloidales Carga superficial negativa Impide que las partículas se aproximen unas a otras


hidrófobos o suspensores

hidrófilos o emulsores

Repelen el agua

Afinidad al agua

arcillas

Polímeros Sustancias biológicas

Sistemas coloidales

¿Qué reactivos se utilizan? Coagulantes Modificadores de pH Ayudantes de coagulación

Coagulantes Sulfato de aluminio Cloruro férrico Sulfato ferroso Sulfato férrico cloro-sulfato férrico.



Sulfato de aluminio Sal derivada de una base débil (hidróxido de aluminio)

y de un ácido fuerte (ácido sulfúrico) soluciones ácidas

pH varía entre 2 y 3.8 Forma sólida o líquida Formula teórica Al2(SO4)3 .18 H2O. Concentración contenido en alúmina Al2O3


Sulfato de aluminio Principales reacciones del sulfato de aluminio con la

alcalinidad


Cloruro férrico Forma sólida o líquida Líquida tratamiento del agua Formula teórica Fe2Cl3 Altamente corrosivo (acero) Principales reacciones del cloruro férrico en el agua


Modificadores de pH Óxido de calcio o cal viva: CaO Hidróxido de calcio: Ca (OH)2

Carbonato de sodio: Na2CO3

Hidróxido de sodio: NaOH Gas carbónico: CO2

Ácido sulfúrico: H2SO4

Ácido clorhídrico: HCl


Ayudantes de coagulación polímeros aniónicos, catiónicos (de polaridad muy

variable) o neutros Formas sólida (polvo) o líquida. Origen natural o sintético Ensayos de coagulación y floculación elección. Sólidos poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada

y son no iónicos Líquidos soluciones catiónicas


Esquema de formación de puentes entre partículas en presencia de polímeros orgánicos


Coagulación Coagulante se mide en una muestra de agua turbia con un alto grado de mezcla

Después de la adición de coagulante, el crecimiento de partículas se debe a la neutralización de la carga.

Coagulación Después de floculación a una velocidad muy baja de agitación (típicamente de 10 a 15 rpm), la muestra es examinada después de un tiempo establecido.

El sobrenadante se examina y se prueba después de 5 a 10 minutos el tiempo de estabilización, y la naturaleza y volumen de los flóculos se registra.


Coagulación

Prueba típica de jarra de dosis perfil.

Coagulación

Coagulación

Factores del proceso de coagulación-floculación


Coagulación

Desestabilización de partículas

Modelo Físico

(Doble capa)

Modelo Químico

(Puente químico)

Floculación

Transporte de partículas

Ortocinético

(Gradiente de velocidad)

Pericinético

Por sedimentación

Movimiento Browniano

Coagulación

Partícula electronegativa

+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

+

+ +

+ +

+

- - -

- -

- - - -

- - - -

- - - - -

-

Coagulación – Modelo Físico – Doble capa

- Electroestáticas - Van der Waals

+

Fuerzas

Agitación térmica

Adhesión de iones

Capa compacta – Capa de Stern

Coagulación


+ +

+ +

+ +

+ + +

+ +

+

+ +

+ +

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+ +

- -

-

-

-

-

+

+

+

+

+ +

+

+

-

-

-

-

-

-

- - -

- -

- - - -

- - - -

- - - - -

-


Agitación térmica 2da capa iones

Capa Difusa

Doble Capa

-

+ Concentración de

iones menor

Plano de Corte

Coagulación

Modelo de Stern-Gouy


+

+

+

+

+ +

+

+

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ + +

+ + +

+

+ +

+ +

+

+

+

+

+

+ +

+

+ - -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- - -

- -

- - - -

- - - -

- - - - -

-


Coagulación

+ + - Potencial eléctrico (PE)

PE ↓ exponencialmente

PE ↓linealmente

PE ↓ desde la superficie

Sup

erfi

cie

Coagulación

+ + -

Coagulación

Presencia de iones

Concentración

Coagulación

Puente químico Carga Primaria

Grupos químicos presentes

Ionización

Iones metálicos

Coagulantes

Reacciones

Precipitación de los coloides

Coagulación

Floculación

Partículas desestabilizadas

Coagulación Pericinética Ortocinética

Movimiento Browniano

Agitación del fluido Gradientes de velocidad

¿Qué mecanismo predomina?

Tamaño de las partículas <1µ >1µ

Floculación

Floculación

J = Número de colisiones por unidad de tiempo; ni = partícula; R = distancia entre centros de partículas; D12 = coeficiente de difusión conjunto;

Von Smoluchowski (1918)

𝐼 = 4 ∙ 𝐷12 ∙ 𝑅 ∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2

Ausencia de fuerzas repulsivas N° de partículas choquen

Movimiento causal moléculas de gas Movimiento Browniano

Teoría de la floculación pericinética

Floculación

J = Número de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partícula; di = diámetro de la partícula; du/dz = gradiente medio del sistema

Von Smoluchowski (1918)

𝐽 =1

6∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2 ∙ 𝑑1 + 𝑑2

3𝑑𝑢

𝑑𝑧

Observaciones del proceso

Floculación Acelera

Agitación lenta

Teoría basada en el gradiente de velocidad

Floculación

H = Número de colisiones por unidad de volumen y tiempo; ni = partícula; di = diámetro de la partícula; G = gradiente de velocidad promedio;

Camp y Stein

𝐻 =1

6∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2 ∙ 𝑑1 + 𝑑2

3 ∙ 𝐺

Smoluchowski

Laminar Turbulento

Floculación

Otros modelos del proceso Argaman & Kaufman

Valor de G no era del todo representativo del proceso de colisión de partículas, de acuerdo a su escala de aplicación.

El proceso de floculación combina los efectos de aglomeración y de ruptura de flóculos.

𝑑𝑁

𝑑𝑡= 𝑓 𝑎𝑔𝑙𝑜𝑚𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑓 𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎

Floculación

N0 = concentración de partículas que entran a la cámara de floculación; N = concentración de partículas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculación KA = cte. de aglomeración; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s;

Para reactor de una sola cámara

𝑁0𝑁

=1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙ 𝑡

1 + 𝐾𝐵 ∙ 𝐺2 ∙ 𝑡

Floculación

N0 = concentración de partículas que entran a la cámara de floculación; Nm = concentración de partículas que sale da la última cámara de floculación; KA = cte. de aglomeración; KB = cte. de ruptura; G = gradiente, 1/s; m = número de recámaras; t =tiempo total promedio de floculación

Bajo el supuesto que los coeficientes KA y KB se mantienen constantes en un tanque con «m» cámaras de floculación en serie. Determinaron la expresión:

𝑁0𝑁𝑚

=1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙

𝑡𝑚

𝑚

1 + 𝐾𝐵 ∙ 𝐺2 ∙

𝑡𝑚 1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙

𝑡𝑚

𝑗𝑚−1

𝑗=0

Floculación

Expresión equivalente

N0 = concentración de partículas que entran a la cámara de floculación; N = concentración de partículas que quedan sin flocular ; N0 /N = Grado de floculación K = cte. De la reacción, 1/(mg/l); D = función de distribución adimensional; m = número de compartimentos del floculador;

𝑁0𝑁

= 1 + 𝐾 ∙ 𝐷 ∙ 𝐺 ∙ 𝑁0 ∙𝑡

𝑚

𝑚

Efecto del número de compartimentos

Floculación

Resultado más importante La compartimentalización de un sistema de flujo

continuo ejerce una influencia considerable en la eficiencia del floculador.

Se puede observar el porcentaje de remoción dependiendo del número de compartimentos en la figura que pasa de 58% a 85% (para relación GN0t = 1)

Floculación

Coeficientes de floculación Coagulante: sulfato de aluminio

Floculación

Efecto del Gradiente en la ruptura de flóculos Bratby et al.

𝐾𝐵 = 𝑘1 ∙ 𝑙𝑛𝐺 + 𝑘2

KB es dependiente del gradiente de velocidad, donde k1 y k2 son constantes para una determinada agua.

Para valores bajos de G KB es bastante pequeño Condiciones de floculación normalmente empleadas en la práctica (G entre 70 y 15 s-1)

Simplificar la expresión general

Floculación

Expresión simplificada

𝑁0𝑁𝑚

= 1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙𝑡

𝑚

𝑚

𝑁0𝑁𝑚

=1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙

𝑡𝑚

𝑚

1 + 𝐾𝐵 ∙ 𝐺2 ∙

𝑡𝑚 1 + 𝐾𝐴 ∙ 𝐺 ∙

𝑡𝑚

𝑗𝑚−1

𝑗=0

Floculación

Correlación de la cte. de aglomeración Muestras del agua del río Iguazú, en Curitiba, Brasil; Resultados de 300 ensayos de floculación; Modelo simplificado;

𝐾𝐴 = 0.192 ∙ 10−4 ∙ 𝑁00.8

Richter

Floculación

Aspectos prácticos «se sabe que siempre es más difícil flocular aguas de baja turbiedad»

Coeficiente de aglomeración

Varía con la turbiedad del agua cruda

↑ Turbiedad

↑Coeficiente de aglomeración

Agua cruda del río Iguazú (Curitiba, Brasil). Jar-tests Tiempo de floculación: 15 min Gradiente de velocidad: G = 30 s-1

Floculación

Relación tiempo de floculación y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Pruebas experimentales Villegas y Letterman

↓G

Turbiedad residual ↓

G < 100 1/s

Turbiedad residual ↓ Tiempo de floculación ↑

Floculación


Tiempos de floculación

Ǝ G óptimo

Floculación


Condiciones de mezcla rápida Gradiente

Tiempo de mezcla

G tiempo de floculación

Mezcla rápida

Dosis coagulante

El valor de (G) óptimo ↓ al ↑ la dosis de sulfato

Valor óptimo de G versus periodo de floculación

Floculación

Relación tiempo de floculación y gradiente de velocidad con la dosis de coagulante. Se determina del gráfico de valor óptimo de G versus

periodo de floculación la relación:

𝐺∗2.8 ∙ 𝐾 = 𝑡

𝐺∗𝑛 ∙ 𝐾 = 𝑡

Diversos proyectos realizados en Perú, Brasil entre otros con la colaboración de la CEPIS/OPS, permiten generalizar la expresión

Los valores de (n) y (K) varían en función de la calidad de cada agua

Floculación

Otros modelos del proceso Hudson

𝐻 =1

6∙ 𝑛1 ∙ 𝑛2 ∙ 𝑑1 + 𝑑2

3 ∙ 𝐺

Parte de la expresión de Camp y Stein d2

d1

d2 >> d1

n1

n2

n1 floc en formación n2 floc formado

partículas que causan turbiedad <10µ forman el floc diámetros de 100 y

2000µ.

Robeck y Riddick

Floculación


𝐻 =1

6∙ 𝑛2 ∙ 𝑑2

3 ∙ 𝐺 d2 >> d1

𝑉 =4

3∙ 𝜋 ∙ 𝑟2

3 𝑉 =1

6∙ 𝜋 ∙ 𝑑2

3

𝐻 =𝑉

𝜋∙ 𝑛2 ∙ 𝐺

Reemplazando

Floculación


𝐻 =𝑑𝑁

𝑑𝑡

Supuesto Todas las colisiones resultan efectivas volumen de materia aglutinada por unidad de tiempo

No todas las colisiones resultan efectivas Se define razón de adherencia,

𝑑𝑁

𝑑𝑡=𝑉

𝜋∙ 𝛼 ∙ 𝑛2 ∙ 𝐺

Floculación

Nt = materia que no ha sido floculada (turbiedad remanente); N0 = materia inicial (turbiedad cruda); = razón de adherencia;

𝑁𝑡𝑁0

= 𝑒−𝐺𝜋∙𝛼∙𝑉∙𝑡


Rapidez con que se aglutina el floc depende de: Volumen del floc y no del número o tamaño de las

partículas involucradas

¿Qué objetivo tiene? Garantizar la calidad del agua desde el punto de vista

microbiológico; Asegurar que sea inocua para la salud humana;

¿Qué es? La eliminación selectiva de organismos patógenos;

¿Qué métodos se utilizan (agentes)? Químico; Físico; Radiación;

Desinfección

Agentes químicos Cloro y sus compuestos Bromo Yodo Ozono Fenol y sus compuestos fenólicos Alcoholes Metales pesados y compuestos afines Colorantes Jabones Compuestos amoniacales Agua oxigenada Ácidos y álcalis diversos

Desinfección

Agentes físicos Luz Calor Tamices de malla gruesa Tamices de malla fina Desarenadores Filtración Sedimentación

Desinfección

Radiación Electromagnética Acústica De Partículas

Proceso selectivo

Desinfección

no destruye todos los organismos presentes en el agua

no siempre elimina todos los organismos patógenos

Coagulación; Sedimentación; Filtración;

Procesos previos

La desinfección es el último proceso unitario de tratamiento del agua

Desinfección sea efectiva

Desinfección

Libres de partículas coloidales

Turbiedad Color

Acción del agente desinfectante

Máxima Eficiencia

Turbiedad 1

Coagulación; Sedimentación; Filtración;

H2O

efectivos y eficientes

Algunos conceptos referidos a la destrucción de patógenos del agua Agente esterilizante Es aquel capaz de destruir completamente todos los

organismos (patógenos o no);

Desinfectante Es el agente que inactiva los gérmenes patógenos;

Bactericida Agente capaz de inactivar las bacterias;

Cisticida Agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes;

Desinfección

Factores que influyen en la acción de los desinfectantes Tiempo de contacto; Tipo y concentración del agente químico; Intensidad y naturaleza del agente físico; Temperatura; pH; Número y tipo de organismos; Naturaleza del medio líquido;

Desinfección

Tiempo de contacto

¿Cómo afecta este factor en la desinfección?

Desinfección

C0

desinfectante

↑ mortalidad

↑ tiempo de contacto

Observaciones realizadas por Chick

Ley de Chick

Tiempo de contacto Ley de Chick

Desinfección

𝑁𝑡𝑁0

= 𝑒−𝑘∙𝑡

Nt = número de organismos en el instante t; N0 = número de organismos en el instante inicial; k = constante, 1/t;

Número de microorganismos destruidos por unidad de tiempo es proporcional al número de microorganismos remanentes.

𝑡 =2.303

𝑘∙ 𝑙𝑜𝑔

𝑁0𝑁𝑡


Desinfección

Desinfección de las esporas de anthrax con 5% de fenol (Chick, 1908)

Susceptibilidad uniforme de las especies;

Concentración constante; Ausencia de compuestos; Parámetros definidos

Supuestos ideales


Desinfección

Desviaciones Velocidad

Destrucción ↑↓

↑ V

elo

cid

ad

↓ V

elo

cid

ad

Desinfección

𝑡 =2.303

𝑘∙ 𝑙𝑜𝑔

𝑁0𝑁𝑡


Desinfección

𝑙𝑛𝑁𝑡𝑁0

= −𝑘𝑡𝑚 m = constante;

m > 1 aumento de la velocidad con el tiempo; m < 1 disminución de la velocidad con el tiempo;

Desinfección

Supervivencia de E. Coli en agua para un pH de 8.5 y de 2 a 5°C Fuente: Fair & Geyer

Tipo y concentración de desinfectante

Desinfección

C0

desinfectante

Agente químico Efectividad desinfección

𝐶𝑛𝑡𝑝 = constante

C = concentración desinfectante n = constante; tp = tiempo % mortalidad cte.

Tipo y concentración de desinfectante

Desinfección

Oxidantes fuertes

↑ Eliminación de microorganismos Remantes tóxicos

Halógenos (cloro, bromo y yodo). Ozono (O3). Permanganato de potasio (KMnO4). Agua oxigenada (H2O2) y los iones

metálicos.

Intensidad y naturaleza del agente físico

Desinfección

Calor Luz

Sensibilidad microorganismos a temperaturas altas

Rayos ultravioleta

Inactivan los ácidos nucleicos (ADN y ARN). No reacciona con los constituyentes del

agua Proceso sencillo. Proceso no necesita tanques de mezcla o

de contacto.

La penetración de los rayos en el agua limitada.

Perdida de eficiencia Efecto puntual.

Ventajas Desventajas

Desinfección

mWs/cm² (mJ/cm²)

Coliform bacteria, legionella, faecal bacteria, streptococci, nematodes (eelworms) and yeasts etc.

3 - 40

Pathogenic fungi, such as fusarium, pithium,Phytophtora, etc.

30 - 120

Viruses such as cucumber virus, olpidium, cholera, etc.

60 - 250

Desinfección

Temperatura de la desinfección

Desinfección

𝑙𝑛𝑡1𝑡2=𝐸 𝑇2 − 𝑇1𝑅𝑇1𝑇2

R = cte. de los gases E = energía de activación, J/mol; t1; t2 = tiempo % mortalidad a temperaturas T1 y T2, °K

Van’t Hoff-Arrhenius

velocidad de desinfección

velocidad de difusión del desinfectante a través de la pared celular

velocidad de reacción con una enzima

Temperatura de la desinfección - pH

Desinfección

Energía de activación para compuestos de cloro, en la destrucción de Esch. Coli en agua limpia

Compuesto pH E, cal/mol

Cloro acuoso 7.0 8,200

8.5 6,400

9.8 12,000

10.7 15,000

Cloraminas 7.0 12,000

8.5 14,000

9.5 20,000

Fuente: Metcalf&Eddy

La acción de los desinfectantes

pH del agua

↑ dosis de desinfectante T° y tc

rango de pH de mayor efectividad

+ alcalina es el agua

Número y tipo de microorganismos

Desinfección

¿El número de microorganismos afecta el proceso de desinfección? No. Para eliminar “1” o “1000” se requiere la misma C0 y tc

T° y pH del agua sean los mismos

𝐶𝑞𝑁𝑝 = constante

C = concentración desinfectante q = constante relacionada con desinfectante; Np = concentración de organismos reducidos en % y tiempo determinado

Relación empírica

Número y tipo de microorganismos

Desinfección

¿El tipo de microorganismos presentes en el agua tiene influencia en el proceso de desinfección? Sí.

Resistencia de la membrana Penetración; Afinidad química;

Menos resistentes Coliforme; Salmonelas;

Altamente resistentes Esporas bacterianas;

Variables controlables en el proceso: La naturaleza y concentración del desinfectante; El grado de agitación al que se somete al agua; El tiempo de contacto entre los microorganismos y el

desinfectante;

Desinfección

¿Qué es el Cloro? Gas de color verde amarillento y olor sofocante; En la naturaleza se encuentra en forma de cloruros;

Desinfección con Cloro

Compuestos de cloro

Cl2

ClO2

Ca(OCl)2

NaOCl Plantas de tratamiento pequeñas (prefabricadas) Piscinas Pozos

Características del Cloro como desinfectante Destruye organismos patógenos del H2O; De fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo; La determinación de C0 en el agua es sencilla y de bajo

costo; Dosis no constituye riesgo para el hombre ni para

los animales; Efecto residual protección posterior contaminación;


Química del Cloro en el agua


𝐶𝑙2 +𝐻2𝑂 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻+ + 𝐶𝑙−

𝐻𝑂𝐶𝑙 𝐻+ + 𝑂𝐶𝑙−

Cloro libre disponible 𝐻𝑂𝐶𝑙; 𝑂𝐶𝑙−


Relación del pH y T° en la producción de HCOl%

Otras reacciones Cloraminas


𝑁𝐻3 +𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑁𝐻2𝐶𝑙 + 𝐻2𝑂

𝑁𝐻2𝐶𝑙 + 𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑁𝐻𝐶𝑙2 +𝐻2𝑂

𝑁𝐻𝐶𝑙2 +𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑁𝐶𝑙3 +𝐻2𝑂

monocloramina

dicloramina

Tricloruro de nitrógeno

Punto de quiebre


A

B

Modulo4 PTA

Documents