el agua. tratamientos fisicoquímicos de las aguas

El Agua.

Tratamientos fisicoquímicos de las aguas


• Sedimentación: separación de partículas de mayor densidad que el agua.

• Tipos de sustancias que pueden sedimentar: – Partículas discretas (sedimentación tipo I)– Partículas floculentas (sedimentación tipo II)

• Sedimentación tipo I: las partículas sedimentan individualmente sin que se produzca agregación.


• Fuerzas que intervienen en la sedimentación:– Gravedad (FM)= (s-l)·g

– Resistencia debida a viscosidad e inercia (FT) = C · l · v /2

– En condiciones de flujo laminar las partículas sedimentan siguiendo la ley de Stokes:

2180 )··( dV lsg


H

L

l

V1

V0

V0H >

V1L=

QH·l·L

V0 > Q

Area= Vh

Tratamientos fisicoquímicos de aguas

• Sedimentación de tipo II: agregación de partículas en otras de mayor tamaño durante el proceso de sedimentación: variación de d y por tanto de V0.

• Eficiencia de sedimentación no sólo depende de carga superficial sino también de tiempo de retención hidráulico.

• Zonas de sedimentación: clarificación, zona de suspensión homogénea, zona de transición y zona de espesamiento


• Curvas de velocidad de Kynch.• Influencia de la carga de sólidos


• Tipos de decantadores:– Rectangulares– Circulares– Lamelares


• Ventajas e inconvenientes:– Requerimientos de espacio muy elevados.– Consumos energéticos bajos y operación

sencilla frente a otros tratamientos.– Generación de fangos.


• Flotación: aplicado a aquellas partículas de menor densidad que el agua. Tipos:– Natural (puede ser ayudada mediante

algún método externo).– Inducida: cuando la densidad inicial de las

partículas es mayor y es reducida artificialmente.


• Flotación natural: empleada normalmente para la separación de aceites y grasa del agua.

• En el caso de grasas la flotación a veces se ayuda mediante la introducción de burbujas de aire


• Flotación inducida: la técnica más usada es la producción de microburbujas mediante la presurización (DAF).– Disolución de aire a presiones de 3-6 bares. La

despresurización produce burbujas de 40-70 m que producen la flotación de Sólidos.

– Aplicaciones:• Separación y concentración de sólidos y fangos.• Separación de aceites de refinerías.• Separación de fibra de papel en papeleras.


• Filtración: proceso de separación basado en el paso de una mezcla sólido- líquido a través de un medio poroso (filtro) que retiene el sólido y permite el paso del líquido (filtrado).

• Ecuación general

• Variación de R con el tiempo

V = 1

R∙ PH


• Parámetros: velocidad de filtración (m/h). Pérdida de carga.

• Filtración: diferentes opciones:– Diferentes medios filtrantes:

• Arena, antracitas, carbon activo• Membranas plásticas o cerámicas.

– Diferentes fuerzas conductoras de la filtración:• Altura de columna de agua o presión.• Filtración tangencial: conceptos de permeado y retenido.• Succión.


• Ventajas e inconvenientes de filtración:– Eliminación de la práctica totalidad de los

sólidos en suspensión.– Eliminación elevada de microorganismos

patógenos.– Variación del caudal a través de las

membranas (aumento de resistencia de las mismas): Operación discontinua.

– Requerimientos energéticos elevados.


• Aplicaciones principales:– Tratamiento terciario para la reutilización

de aguas o tratamiento previo para la potabilización de aguas.

– Tratamiento de aguas poco cargadas.– Sustitución de decantación secundaria.


• Ósmosis inversa:Empleo de membranas semipermeables que permiten el paso del agua y retienen el resto de solutos.

• Elementos: bomba de alta presión, membrana semipermeable.

• Factores a considerar:– Conversión (Y)(Qpermeado/Qalimentado).– Factor de concentración (CF) (Conc en retenido/Conc. en

alimentado). CF=1/(100-Y)– Si Y Energía pero CF y CP

Qalim/Conc alim

Qret/Conc retQperm/Conc Perm


• Aplicación típica en desalación de aguas de mar.

• Nanofiltración: variación de la ósmosis inversa:– Paso de sales monovalentes de 30-60% y

bivalentes de 5-15%– Reducción de costes.– Aplicable a la eliminación de aguas

moderadamente salinas (STD <2 g/L).


• Centrifugación: proceso que usa la acción de la fuerza centrífuga para promover la separación de los sólidos en una mezcla sólido líquido.

• Distinguimos dos fracciones fundamentales en la mezcla centrifugada:– El sedimento– El sobrenadante o centrifugado


• Acción de fuerza centrífuga sobre partícula de peso unitario:

R

NRPM

Fc=0.011·N·R/g (s-l)

Donde:s;: es la densidad de la partícula y l la del líquido.


• Campos de aplicación de la centrifugación:– Separación de sólidos de suspensiones de

elevadas concentraciones.– Separación de suspensiones oleosas con

bajos contenidos en SS


• Adsorción: basada en la capacidad de determinadas sustancias en la retención de moléculas sobre su superficie de una manera más o menos reversible.

• La capacidad de adsorción depende de :– La superficie específica del material– La naturaleza del enlace entre sustancia

adsorbida y adsorbente.– Tiempo de contacto entre sustancia y adsorbente.


• Principales adsorbentes:• Carbon activo capaz de adsorber moléculas

ligeramente polares y sustancias de elevados pesos moleculares.

• Otros adsorbentes inorgánicos: alúmina y otros oxidos metálicos con elevadas superficies específicas (300-400 m2 g-1)

• Adsorbentes orgánicos : resinas macromoleculares.

• Adsorbentes naturales: bentonitas, silices, etc-


• Desorción: principio teórico: ley de Henry:

p= xH• Importancia de:

– Existencia de un gradiente de concentración importante entre la interfase gas / líquido.

– Existencia de una superficie de intercambio importante (normalmente promovida mediante agitación o turbulencia).


• Coagulación- floculación: facilita la eliminación de sólidos en suspensión y partículas coloidales (menos de 1m).

• Partículas coloidales: estabilidad y no decantación (suma de atracción (Van der Waals) y repulsión electrostática. La función de la coagulación es desestabilizar este balance.


• Floculación: una vez desestabilizadas las partículas se facilita su agregación en partículas mayores que puedan separarse por otro medio (sedimentación, flotación...)

COAGULACIÓN

FLOCULACIÓN


• Reactivos: compensación de cargas negativas mediante la adición de cationes (a mayor valencia, mayor efectividad): sales inorgánicas de Al3+ y Fe3+.

• Floculantes polímeros inorgánicos u orgánicos

• Importancia del grado de mezcla y tiempo de contacto.(mezcla rápida+ mezcla lenta).


• Precipitación química: mediante la adición de reactivos, que contaminantes solubles se transformen en formas insolubles o de menor solubilidad.

• Principales aplicaciones:• Ablandamiento de aguas: eliminación por

precipitación de sales de calcio y magnesio que tienden a producir precipitados en conducciones.


• Ablandamiento: principios:– Adición de cal:

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 2CaCO3 + 2H2O

Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 2MgCO3 + 2H2O– Adición de sosa:

NaOH + Ca(HCO3)2 CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O– Parámetros de control en el proceso:

• pH (necesidad de rectificación posterior)• Presencia de núcleos de agregación (sólidos en

suspensión).


• Precipitación de sílice con hidróxidos de Al, Mg o Fe.

• Precipitación de metales pesados a través de la formación de sulfuros (difícilmente solubles): Na2S con hidróxidos que ayudan a la precipitación.

• Precipitación de sulfatos:

Ca2+ (como cal)+ SO4 2- CaSO4 ·2H2O• Precipitación de fosfatos con cal, Fe3+ o Al3+:


Reactivo pH Necesidades Precipitado

Ca(OH)2 9-12 +floculante Hidroxiapatita

Fe 5 Exceso de hidróxido Fosfatos e hidróxido del metal

Al 6 Exceso de hidróxido Fosfatos e hidróxido del metal


• Intercambio iónico:sustancias que tienen en su estructura molecular radicales ácidos o básicos que pueden intercambiar con iones del mismo signo del líquido en contacto sin una alteración física de su apariencia. Resinas de intercambio iónico (anionicas o catiónicas).

• Aplicaciones típicas:– Ablandamiento de aguas– Desilicación de aguas– Desmineralización de aguas– Tratamiento de aguas residuales con metales.


• Necesidad de regeneración de las resinas

• Selección de resinas en base a anión/catión, y diferentes selectividades sobre los iones a eliminar.


• Oxidación – Reducción: fundamentos: capacidad de que las sustancias cambien entre un estado oxidado y reducido mediante la ganancia (reducción) o pérdida (oxidación) de electrones.

• Esta posibilidad está determinada por el concepto de potencial de oxidación / reducción (potencial redox):

E = E 0 + Kn ∙

forma oxidadaforma reducida


• Si definimos como potencial de referencia el del hidrógeno, comparando los de otras sustancias veremos la tendencia relativa a ser oxidados o reducidos (mayor potencial, mayor tendencia a reducirse, oxidando otra sustancia)

aOx1+bRed2 aRed1 + bOx2 (Eo1>Eo2)• Distinción agentes oxidantes y reductores.


• Empleo de la oxidación reducción en tratamientos de aguas:– Desinfección– Conversión de un elemento de un estado

disuelto a un estado poco soluble.– Oxidación de compuestos orgánicos

refractarios (Procesos de oxidación avanzada).


• Agentes oxidantes utilizados:– Cloro:

Cl2 +H2O HClO + HClHClO ClO- +H+

A pH= 5 todo el cloro está como HClO.A pH=10 todo el cloro está en forma de ClO-.El efecto desinfectante (oxidante) máximo se da con

la forma HClO (cloro libre disponible).– Reacciones secundarias con compuestos

orgánicos y amonio (THM y cloraminas).


• Ozono: acción directa sobre moléculas o generación de radicales libres OH· que provocan rupturas de moléculas.

• El ozono puede combinarse con luz ultravioleta que cataliza la formación de radicales OH·.

• Dióxido de cloro: alta capacidad oxidante:

ClO2+ 5 e- Cl- + 2O2-

es sensible a la ruptura fotoquímica.


• Peróxido de hidrógeno:generación de radicales OH·.

• Los costes son elevados por lo que su uso está limitado a la oxidación de compuestos refractarios.

• Puede combinarse con el ozono.


• Desinfección: factores a tener en cuenta:– Tiempo de contacto con el desinfectante e

intensidad del desinfectante: el tiempo necesario para matar a un microorganismo es inversamente proporcional a la intensidad del desinfectante

– Edad de los microorganismos (mayor edad mayor resistencia)

– Naturaleza del líquido desinfectante: la presencia de determinados elementos que puedan interaccionar con el desinfectante, pueden alterar la efectividad del mismo.

– Temperatura.

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