-
TEMA 3.BALANCES DE MATERIA Y ENERGA EN MASAS DE AGUA
1. Introduccin2. Sistemas en estado estacionario3. Sistemas en
estado no estacionario4. Balances de energa
1
Francisco Javier Bayo BernalCalidad de AguasGrado en Ingeniera
CivilUniversidad Politcnica de Cartagena
-
1. Introduccin
1 LEY DE LA TERMODINMICA
Conservacin
DISTRIBUCIN DEL CONTAMINANTE
AIRE/AGUA
iw
iaaw C
CK =
SUELO/AGUA
Temperatura Otros disolventes Coloides pH
LEY DE HENRY (1803)
mmsw
omswsw KKK +=
om
omsw
om fKK =
a
mmsw
mm SKK =
Sistema cerrado
wqUEE cp =++
0= pE 0= cE
U = q-w
q = 0 AdibaticoV = 0 (reactor) U = q
== 3mmol
PaC
RTCCPK
iw
ia
iw
iaw
2
-
2. Sistemas en estado estacionarioDEFINICIN DE LOS LMITES DEL
SISTEMA
Introduccin
Acumulacin
Reaccin Entradas al Sistema
Lmites del Sistema
Salidas del Sistema
Entrada = Salida + Reaccin + Acumulacin
ESTADO ESTACIONARIO CONTAMINANTE CONSERVATIVO
CONTAMINANTE NO CONSERVATIVO
Entrada = Salida + Reaccin
Entrada = SalidaAcumulacin = 0 Reaccin = 0
ESTADO NO ESTACIONARIO
Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes +
Sumideros 3
-
2. Sistemas en estado estacionarioConservativo
MODELO DE MEZCLA
Metales pesados, NO3-, trazadores, Cl-
re
rreem QQ
CQCQC++
=
CONTAMINANTE CONSERVATIVO
Distancia de mezcladot
WuL
2
1,0=
Mezclado vertical: 90 veces ms rpido que mezclado
transversal
RODAMINA-WT
IMAGEN TOMADA DE:Lin et al. (2003). Comparison of rhodamine WT
and bromide in the determination of hydraulic characteristics of
constructed wetlands. Ecological Engineering 20: 75-88.
xCv
xCD
xtC
xx
=
Prediccin de la concentracin (1D)
Entrada = Salida
4
Qe
Ce Cm
QrCr
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 0CONTAMINANTE REACTIVO O
NO CONSERVATIVO
Entrada = Salida + Reaccin
OD, DBO, T, Cla, R-N, NH3-N, NO2-, NO3-, P, .o.
CN- + O3 CNO- + O2Cintica de orden cero0)( kdt
dCCr ==
0)( kdtdCCr ==
IMGENES TOMADAS DE:Parga et al. (2003). Destruction of cyanide
waste solutions using chlorine
dioxide, ozone and titania sol. Waste Management 23:
183-191.
5
0VkdtdCV = tkCC 00 =
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1
6
Cintica de primer ordenCkCr 1)( =
CkCr 1)( =CVk
dtdCV 1=
tkeCC 10=
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
IMGENES TOMADAS DE:Kohpaei y Sathasivan (2011).
Chlorine decay prediction in bulkwater using the parallel second
order
model: An analytical solutiondevelopment. Chemical
Engineering
Journal 171: 232-241.
Degradacin del Cl2 en agua desinfectada
Cintica del proceso de eliminacin de microorganismos en aguas
desinfectadas
IMAGEN TOMADA DE:Bayo et al. (2008). Disinfection
efficiency of secondary effluents withultraviolet light in a
Mediterranean
area. WIT Transactions on Ecologyand the Environment 111:
511-520.
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1
7
Cintica de primer orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
IMGENES TOMADAS DE:Holland et al. (2005). Analysis and modeling
of suspended solids from
high-frequency monitoring in a stormwater treatment wetland.
Ecological Engineering 24: 159-176.
Eliminacin de contaminantes en humedales empleados como tanques
de tormenta
SLIDOS EN SUSPENSIN FSFORO TOTAL
AMONIONITRATO
IMGENES TOMADAS DE:Carleton et al. (2001). Factorsaffecting the
performance of
stormwater treatment wetlands. Water Research 35: 1552-1562.
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1
8
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
Modificacin a la cintica de orden 1 IMAGEN TOMADA DE:Lemos de
Souza et al.
(2009). Application of infraredand raman techniques in the
identification and quantification of plasticizers
in commercial films of PVSC. Qumica Nova 32: 1452-1456.
IMGENES TOMADAS DE:Vavlin (2007). Corrected first-order
model of DEHP degradation. Chemosphere 68: 1992-1995.
Eliminacin de DEHP del agua residual en CSTR
-
2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-primero
9
Procesos de adsorcin de metales pesados en aguaCintica de
pseudo-primer orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
Modelo de Lagergren (1898)
IMGENES TOMADAS DE:(1) Hanif et al. (2007). Kinetic studies for
Ni(II) biosorption from industrial wastewater by Cassiafistula
(Golden Shower) biomass. Journal of Hazardous Materials 145:
501-505; (2) Bayo et al.(2012). The use of native and protonated
grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for cadmium(II)
biosorption: equilibrium and kinetic modelling. Environmental
Technology 33: 761-772.
( )qqkdtdq
e = 1 ( ) tkqqq ee 303,2
loglog 1=
(1)
(2)eqkv 11 =
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 2
Cintica de segundo orden
22)( CkCr =
22)( CkCr =
22CVkdt
dCV =
tkCCC
20
0
1+=
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
02
11C
tkC
+=Depuracin de agua residual de la industria textil mediante
reactor UAFB
IMGENES TOMADAS DE:Sandhya and Swaminathan (2006).
Kinetic analysis of treatment of textilewastewater in hybrid
column upflow
anaerobic fixed bed reactor. ChemicalEngineering Journal 122:
87-92. 10
-
2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-segundo
Proceso de bioadsorcin de Cd(II)Cintica de pseudo-segundo
orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
IMAGEN TOMADA DE:Bayo et al. (2012). The use of native and
protonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for
cadmium(II) biosorption: equilibrium and kineticmodelling.
Environmental Technology 33: 761-772.
( )22 qqkdtdq
e =
ee qt
qkqt
+= 22
1
Modelo de Ho and McKay (1999)
ee qt
qk
tq+
=
22
1
222 eqkv =
11
-
2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-segundo
Cintica de pseudo-segundo orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida +
Reaccin
12
IMGENES TOMADAS DE:Bayo (2012). Kinetic studies for Cd(II)
biosorption from treated urban
effluents by native grapefruit biomass (Citrus paradisi L.): The
competitiveeffect of Pb(II), Cu(II) and Ni(II). Chemical
Engineering Journal 191: 278-287.
Eliminacin de Pb(II), Cu(II), Ni(II) y Cd(II) del agua residual
mediante bioadsorbentes naturales
-
2. Sistemas en estado estacionarioPFR
MODELO DE FLUJO PISTN
13
No existe mezcla de los contaminantes a lo largo del recorrido
(en el reactor de flujo pistn ideal no existe difusin axial)
QV
vlt ==
Elemento incremental
C C+CAx
Direccin del flujo
V
Entrada Salida + Reaccin = 0
( ) 0=++ CVkCCQQC dxAV =
ktCC = 0 ORDEN 0
kteCC = 0 ORDEN 1
ktCCC
0
0
1+= ORDEN 2
( )qqkdtdq
e = 1 PSEUDO-1
( )22 qqkdtdq
e = PSEUDO-2
-
2. Sistemas en estado estacionarioPFR
MODELO DE FLUJO PISTN
14
Decoloracin de agua residual mediante sistema UV/H2O2 en reactor
de flujo pistn
IMGENES TOMADAS DE:Shu et al. (2005). Effects of gap size and UV
dosage on decolorization of
C.I. Acid Blue 113 wastewater in the UV/H2O2 process. Journal of
Hazardous Materials B118: 205-211.
CINTICA DE PSEUDO-PRIMER ORDEN
-
2. Sistemas en estado estacionarioPFRMODELO DE FLUJO PISTN
15
Anlisis del destino de contaminantes en humedales empleados como
tanques de
tormenta
Tratamiento de escorrentas urbanas y agrcolas debidas a
tormentas
Parmetros de funcionamiento
CARGAHIDRULICA
TIEMPO DERETENCIN
Intensidad de tormenta Volumen de escorrenta Tamao del
humedal
CINTICA DE PRIMER ORDEN
AMONIO
FSFORO TOTAL NITRATO
IMGENES TOMADAS DE:Carleton et al. (2001). Factors affecting the
performance of stormwater treatment wetlands. Water Research 35:
1552-1562.
-
2. Sistemas en estado estacionarioPFR-NO IDEAL
MODELO DE FLUJO PISTN NO IDEAL
16
Comportamiento ideal
Comportamiento no ideal
PFR (D=0)
CSTR (D)
2
2
xCD
tC
=
Ley de Fick
Coeficiente de dispersin axial
(m2/s)
Modelizacin de slidos en suspensin en un tanques de tormenta
mediante
anlisis de la distribucin de tiempos de residencia
IMGENES TOMADAS DE:Holland et al. (2005). Analysis and modeling
of suspended solids
from high-frequency monitoring in a stormwater treatmentwetland.
Ecological Engineering 24: 159-176.
-
3. Sistemas en estado no estacionario
17
VARIACIN DE LA CONCENTRACIN DE UN CONTAMINANTE CON EL TIEMPO EN
LA MASA DE AGUA
Sistema de respuesta dependiente del tiempo Modelizado por
elementos incrementales Se asume modelo de mezcla completa en dicho
elemento
Definicin
Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes +
Sumideros
(Adveccin) (Difusin) (Transformacin: generacin o
descomposicin)
Q, C
Elemento incremental
Q+Q, C+CAD
A+AD+D
So
Six
Direccin del flujo
V
-
3. Sistemas en estado no estacionario
18
Ecuacin
Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes +
Sumideros
SIMPLIFICACIN
( )( )[ ] CVtCCQQtQC =++
Difusin molecular Movimiento browniano
Generacin Orden 0 Descomposicin Orden 1
CVkVk dg
So
Si
Acumulacin = Entrada Salida + Generacin - Descomposicin
CVkVkQCQCdtdCV dgi += VkQ
VkQCC
d
gi
+
+=Si: 0=dt
dC
xCDJ
=Ley de Fick
scmDagua /1025
-
3. Sistemas en estado no estacionario
19
Ecuacin
Para cualquier tiempo (t): ( )
++= tV
QkCCCtC dexp)( 0
A tiempo t = 0
( ) 00 0exp CCCCC =+=
A tiempo t =
( ) =+= CCCCC 00
C0
-
-
C0
C
C
Tiempo (t)
Con
cent
raci
n (C
)
VkQVkQC
Cd
gi
+
+=
VkQQCC
d
i
+=
Ct
-
4. Balances de energa
20
Entrada = Salida + Variacin de la energa interna
TmCU e=
Energa almacenada en el sistema
CALOR ESPECFICO Cantidad de energa necesaria para elevar en 1 C
(15 C 16 C) la temperatura de 1 kg
de materia [J/kgC]
AGUA
4.184 J/kgc1 cal/gC1 Btu/lbF
Ecuacin
IMAGEN TOMADA DE:Masters (1991). Introduction to
Environmental
Engineering and Science. Prentice-Hall: New Jersey.
Calores latentes de fusin y vaporizacin del agua
-
SOME ENGLISH TERMSTO BE FAMILIAR WITH
Balance de materia Mass balance Contaminante conservativo
Conservative pollutant Contaminante no conservativo
Non-conservative pollutant (Reactive pollutant) Distancia de
mezclado Mixing length Estado estacionario Steady state Estado no
estacionario Unsteady state (Dynamic state) Fuente Source Modelo de
mezcla Mixing model Reactor continuo de tanque agitado Continuously
stirred tank reactor (CSTR) Reactor de flujo pistn Plug flow
reactor (PFR) (Tubular reactor) Reactor discontinuo Batch reactor
Rgimen turbulento Tidal regime Sumidero Sink 21
-
22
MASS BALANCE
TECHNIQUE
IMAGEN TOMADA DE: www.gifmania.com.es
WATER QUALITY BY A CIVIL ENGINEER
PLUG FLOW REACTOR
SOURCES AND SINKS
BROWNIAN MOTION
DYE TRACERS
-
23
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Bayo, J. (2012). Kinetic studies for Cd(II) biosorption from
treated urbaneffluents by native grapefruit biomass (Citrus
paradisi L.): Thecompetitive effect of Pb(II), Cu(II) and Ni(II).
Chemical EngineeringJournal 191: 278-287
Bayo, J., Angosto, J.M., Ayala, P. (2008). Disinfection
efficiency ofsecondary effluents with ultraviolet light in a
Mediterranean area. WITTransactions on Ecology and the Environment
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Bayo, J., Esteban, G., Castillo, J. (2012). The use of native
andprotonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for
cadmium(II)biosorption: equilibrium and kinetic modelling.
Environmental Technology33: 761-772.
Carleton, J.N., Grizzard, T.J., Godrej, A.N., Post, H.E. (2001).
Factorsaffecting the performance of stormwater treatment wetlands.
WaterResearch 35: 1552-1562.
Hanif, M.A., Nadeem, R., Zafar, M.N., Akhtar, K., Bhatti, H.N.
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wastewater by Cassiafistula (Golden Shower) biomass. Journal of
Hazardous Materials 145:501-505.
-
24
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
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sorptionprocesses. Process Biochemistry 34: 451-465.
Holland, J.F., Martin, J.F., Granata, T., Bouchard, V., Quigley,
M., Brown,L. (2005). Analysis and modeling of suspended solids from
high-frequency monitoring in a stormwater treatment wetland.
EcologicalEngineering 24: 159-176.
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Kohpaei, A.J., Sathasivan, A. (2011). Chlorine decay prediction
in bulkwater using the parallel second order model: An analytical
solutiondevelopment. Chemical Engineering Journal 171: 232-241.
Lagergren, S. (1898). About the theory of so-called adsorption
of solublesubstances. Kungliga Svenska Vetenskapsakademien
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Lemos de Souza, M., Corio, P., Temperini, M.L.A. (2009).
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and quantification ofplasticizers in commercial films of PVSC.
Qumica Nova 32: 1452-1456.
-
25
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Lin, A.Y.C., Debroux, J.F., Cunningham, J.A., Reinhard, M.
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ofhydraulic characteristics of constructed wetlands. Ecological
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Lin, S. (2001). Water and Wastewater Calculations Manual.
McGraw-Hill:New York.
Masters, G.M. (1991). Introduction to Environmental Engineering
andScience. Prentice-Hall: New Jersey.
Parga, J.R., Shukla, S.S., Carrillo-Pedroza, F.R. (2003).
Destruction ofcyanide waste solutions using chlorine dioxide, ozone
and titania sol.Waste Management 23: 183-191.
Sandhya, S., Swaminathan, K. (2006). Kinetic analysis of
treatment oftextile wastewater in hybrid column upflow anaerobic
fixed bed reactor.Chemical Engineering Journal 122: 87-92.
Shu, H.Y., Chang, M.C., Fan, H.J. (2005). Effects of gap size
and UVdosage on decolorization of C.I. Acid Blue 113 wastewater in
theUV/H2O2 process. Journal of Hazardous Materials B118:
205-211.
-
26
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Valsaraj, K.T. (2009). Elements of Environmental
Engineering.Thermodynamics and Kinetics (3rd ed.) CRC Press: Boca
Raton, FL.
Vavlin, V.A. (2007). Corrected first-order model of DEHP
degradation.Chemosphere 68: 1992-1995.
Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva
3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva
6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva
9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva
12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de
diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero
de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva
20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de
diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero
de diapositiva 26