I. OBJETIVOS

Determinar la dosificación optima del coagulante-floculante para lograr la sedimentación de manera cualitativa

Conocer el proceso y ataque del coagulante

Comprobar si a mayor dosificación será mayor la clarificación

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

II.1. Coagulación

La coagulación puede entenderse como la desestabilización eléctrica de algunas partículas media te la adición de sustancia químicas que son los coagulantes. Esta operación se efectúa en unidades y tanques de mezcla rápida, en los cuales el agua se somete a agitación muy intensa para formar una solución homogénea de los coagulantes con el agua en el menor tiempo posible.

Este proceso se usa para:

Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica que no se puede sedimentar rápidamente.

Remoción de color verdadero y aparente.

Eliminación de bacteria, virus y organismos patógenos susceptibles de ser separados por coagulación.

Destrucción de algas y plancton en general.

Eliminación de sustancias productoras de sabor y olor, en algunos casos de precipitados químicos suspendidos en otros.

El uso de cualquier otro proceso para la remoción de partículas muy finas, como la sedimentación simple, resulta muy poco económico y en ocasiones imposible, debido al alto tiempo requerido.

Para la evaluación de este proceso es necesario tener en cuenta las características físicas y químicas del agua, la dosis del coagulante, la concentración del coagulante, el punto de aplicación del coagulante, la intensidad y el tiempo de mezcla y el tipo de dispositivo de mezcla.

II.2. Teoría de coagulación

Las partículas que forman la turbiedad y el color de las aguas naturales, poseen cargas eléctricas que normalmente son negativas, pero como también existen cargas eléctricas positivas, se puede afirmar que el agua y las soluciones son eléctricamente neutras.

Las cargas eléctricas de las partículas generan fuerzas de repulsión entre ellas, por lo cual se mantienen suspendidas y separadas en el agua. Es por esto que dichas partículas no se sedimentan.

El conjunto formado por estas partículas constituye un sistema coloidal, formado por una doble capa de iones, el cual es sometido a un potencial en la superficie inferior del doble lecho, denominado potencial Z. Este potencial tiene un valor crítico, por encima del cual los coloides son estables, y por debajo de él, la repulsión en las partículas se reduce a un grado tal que chocando con cierta velocidad pueden unirse y flocular. El problema en la coagulación consiste en disminuir el potencial Z por uno de los siguientes métodos:

Coagulación por neutralización de la carga: Esta se realiza cuando coloides de diferente signo se mezclan en el agua. Esto es lo que sucede cuando se agrega alumbre o sales de hierro al agua. Coagulación por disminución del espesor de la doble capa (distancia d). Al incrementarse la concentración de iones en el agua la “distancia d” disminuye, hasta hacer el valor del potencial Z inferior al punto crítico.

El fenómeno de la desestabilización se efectúa mediante una serie de reacciones químicas bastante complejas, de las cuales algunas no se han podido entender lo suficiente. Dentro de esas reacciones se encuentran las que se efectúan con las diversas formas de alcalinidad, por lo cual su contenido disminuye. Además, algunas de estas reacciones producen CO2, cuyo efecto consiste fundamentalmente en el incremento de la acidez del agua y por consiguiente la disminución del pH.

II.3. Factores que influyen en la coagulación

Valencia: Entre mayor sea la valencia del ion, más efectivo resulta como coagulante.

Capacidad de cambio: Es una medida de la tendencia a remplazar cationes de baja valencia por otros de mayor valencia, provocando la desestabilización y aglomeración de partículas en forma muy rápida.

Tamaño de las partículas: Las partículas deben poseer el diámetro inferior a una micra. Las partículas con diámetro entre una y cinco micras, sirven como núcleos de floc, en cambio de diámetro superior a cinco micras, son demasiado grandes para ser incorporadas en el floc.

Temperatura: La temperatura cambia el tiempo de formación del floc, entre más fría el agua, la reacción es más lenta y el tiempo de formación del floc es mayor.

Concentración de iones H+ o pH: Para cada coagulante hay por lo menos una zona de pH óptima, en la cual una buena floculación ocurre en el tiempo más corto y con la misma dosis de coagulante.

Relación cantidad-tiempo: La cantidad de coagulante es inversamente proporcional al tiempo de formación del floc. Alcalinidad: La alcalinidad guarda la relación con el pH y por lo tanto el contenido de alcalinidad del agua es uno de los factores por considerar en la coagulación.

II.4. Tipos de coagulantes

Los productos químicos más usados como coagulantes en el tratamiento de las aguas son el sulfato de aluminio, el cloruro férrico, el sulfato ferroso y férrico y el cloro-sulfato férrico.

Sulfato de aluminio

Puede estar en forma sólida o líquida. La sólida se presenta en placas compactas, gránulos de diverso tamaño y polvo. Su fórmula teórica es A l2¿.

Su concentración se define, en general, por su contenido en alúmina, expresada en A l2O33, es decir, 17% aproximadamente. La densidad aparente del sulfato de aluminio en polvo es del orden de 1.000 kg/m3.

El contenido en alúmina Al2O3de la forma líquida fluctúa generalmente entre 8 y 8,5%; es decir, 48 a 49% en equivalente polvo o también 630 a 650 g de A l2¿ por litro de solución acuosa. El sulfato de aluminio es una sal derivada de una base débil (hidróxido de aluminio) y de un ácido fuerte (ácido sulfúrico), por lo que sus soluciones acuosas son muy ácidas; su pH varía entre 2 y 3,8, según la relación molar sulfato/alúmina. Por esta razón, su almacenamiento debe hacerse en un lugar seco, libre de humedad.

Es necesario tener en cuenta esta tendencia ácida para la preparación de las soluciones y los empaques para su distribución, y emplear, por lo general, materiales de plástico.

Principales reacciones del sulfato de aluminio con la alcalinidad:

Cloruro férrico FeCl3

Se presenta en forma sólida o líquida; esta última es la más utilizada en el tratamiento del agua. La forma sólida es cristalina, de color pardo, delicuescente, de fórmula teórica FeCl3 .6 H2 O. Se funde fácilmente en su agua de cristalización a 34 °C, por lo que es necesario protegerla del calor.

La forma líquida comercial tiene un promedio de 40% de FeCl3. Para evitar toda confusión entre los contenidos de producto puro o de producto comercial, es recomendable expresar la dosis de coagulantes en Fe equivalente; es decir, 20,5% para la fórmula sólida y 14% aproximadamente para la solución acuosa comercial. En presencia de hierro, las soluciones acuosas de cloruro férrico se reducen rápidamente a cloruro ferroso FeCl2. Esta reacción explica su gran poder corrosivo frente al acero, y la necesidad de seleccionar adecuadamente el material de los recipientes de almacenamiento, de preparación y de distribución.

Reacciones del cloruro férrico en el agua:

Sulfato ferroso FeSO4 .7 H2 O

El sulfato ferroso usado en el tratamiento de agua es un polvo de color verde muy soluble y tiene una masa volumétrica aparente próxima a 900 kg/m3. Su contenido en hierro es de aproximadamente 19%. Por su naturaleza ácida, el pH de una solución al 10% es de 2,8 aproximadamente. Por esta razón, para su almacenamiento y preparación se usa material plástico.

Reacciones del sulfato ferroso

Sulfato férrico Fe2 (SO4 )3

El sulfato férrico es un polvo blanco verdoso, muy soluble en el agua, su masa volumétrica aparente es 1.000 kg/m3 . Debido a que en solución acuosa se hidroliza y forma ácido sulfúrico, es necesario prevenir los efectos de su acidez.

Reacciones del sulfato férrico

II.5.

II.5.

II.5.

II.5.

II.5.

II.5.

Floculación

La floculación consiste en la aglomeración, mediante la agitación moderada del agua, de las partículas que se desestabilizaron durante la coagulación, formando otras de mayor tamaño y peso específico –flóculos.

Los objetivos básicos de la floculación son reunir microflóculos para formar partículas con peso específico superior al del agua y compactar el flóculo disminuyendo su grado de hidratación para producir baja concentración volumétrica, lo cual produce una alta eficiencia en los procesos posteriores como sedimentación y filtración.

II.6. Cinética de la floculación

Tan pronto como se agregan coagulantes a una suspensión coloidal, se inician una serie de reacciones hidrolíticas que adhieren iones a la superficie de las partículas presentes en la suspensión, las cuales tienen así oportunidad de unirse por sucesivas colisiones hasta formar flóculos que crecen con el tiempo.

La rapidez con que esto ocurre depende del tamaño de las partículas con relación al estado de agitación del líquido, de la concentración de las mismas y de su “grado de desestabilización”, que es el que permite que las colisiones sean efectivas para producir adherencia.

Los contactos pueden realizarse por dos modos distintos:

Floculación Pericinética

Contactos por bombardeo de las partículas producidos por el movimiento de las moléculas del líquido (movimiento browniano) que sólo influye en partículas de tamaños menores a un micrón. Sólo actúa al comienzo del proceso, en los primeros 6 a 10 s y es independiente del tamaño de la partícula.

Floculación Ortocinética

Contactos por turbulencia del líquido, esta turbulencia causa el movimiento de las partículas a diferentes velocidades y direcciones, lo cual aumenta notablemente la probabilidad de colisión. Efectivo sólo con partículas mayores a un micrón. Actúa durante el resto del proceso, de 20 a 30 min.

II.7. Factores que influyen en la floculación

Concentración y naturaleza de las partículas

La velocidad de formación del floc es proporcional a la concentración de partículas en el agua y del tamaño inicial de estas.

Tiempo de detención

La velocidad de aglomeración de las partículas es proporcional al tiempo de detención. Debe estar lo más cerca posible al óptimo determinado por medio de ensayos de jarras, esto se puede lograr dividiendo la unidad de floculación en cámaras. Se puede decir que una eficiencia dada, se obtiene en tiempos cada vez menores a medida que se aumenta el número de cámaras de floculación en serie. Por razones de orden práctico el número de cámaras no puede ser muy grande, estableciéndose un mínimo de tres (3) unidades.

Gradiente de velocidad

Este es un factor proporcional a la velocidad de aglomeración de las partículas. Existe un límite máximo de gradiente que no puede ser sobrepasado, para evitar el rompimiento del floc. El gradiente a través de las cámaras debe ser decreciente y no se deben tener cámaras intermedias con gradientes elevados.

II.8. Prueba de jarras

La coagulación química y la dosificación apropiada de reactivos deben ser seleccionadas por la simulación del paso de clarificación en un laboratorio a

escala. La Prueba de Jarras es la que mejor simula la química de la clarificación y la operación llevada a cabo. Un arreglo simple de vasos de precipitado y paletas permite comparar varias combinaciones químicas, las cuales todas están sujetas a condiciones hidráulicas similares. Esta prueba se realiza con el fin de determinar la concentración óptima de coagulante necesaria para obtener un floc de las mejores características.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

III.1. Materiales y reactivos:

Vasos de precipitado Probeta de 500 ml

Al2(SO4)3

Equipos:

Balanza analítica Equipo de jarras

III.2. Proceso.

Calcular la cantidad de sulfato de aluminio (floculante) que se debe agregar a cada vaso de precipitado al que agregaremos 500 ml de muestra.

Dosificación (ppm) mg de Al2(SO4)3

20 1040 2060 3080 40

100 50

Pesar las diferentes cantidades de floculante y diferenciarlas correctamente.

Agitar la muestra y extraer 500 ml de muestra en cada vaso de precipitado.

Agregar el floculante a todos los vasos de precipitado a la vez.

Esperar de 5 -10 min para que la muestra sedimente y calificar cada una de las dosificaciones tomando como patrones el agua potable y la muestra inicial.

III.3. Resultados

Después del tiempo de sedimentación (5min), observamos los vasos de precipitado con las diferentes dosificaciones y establecemos una calificación a cada uno de ellos de acuerdo a lo observado.

Dosificación CalificaciónAgua potable 0

20 ppm 840ppm 660 ppm 480 ppm 2

100 ppm 7Muestra 10

Por lo tanto, la dosificación óptima para esta muestra es de 80 mg/L Al2(SO4)3.

IV. CONCLUSIONES

Determinamos que la dosificación del coagulante óptimo para sedimentar las partículas del agua es de 80ppm para nuestra muestra de agua de rio.

Observamos los ataques del coagulante a diferentes concentraciones y comparamos de manera cualitativa cada uno de ellos.

Concluimos que a mayor dosificación, no significa que habrá mayor clarificación, y que a mayor tiempo de agitación si habrá mayor clarificación de la muestra.

V. RECOMENDACIONES

Verificar que la balanza se encuentre calibrada antes de comenzar a pesar.

Una sola persona debe realizar el pesaje para así disminuir el error.

Agitar la muestra a usar antes de verterla en los vasos de precipitado para una representación uniforme.

Agregar el floculante a todos los vasos de precipitado al mismo tiempo.