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SANTIAGO SURINGENIERA EN BIOTECNOLOGIALABORATORIO DE TRATAMIENTOBIOLGICO DE RESIDUOS

Anlisis de aguas residuales por tratamiento primario;coagulacin y floculacin por agentes qumicos.

Nombre Alumno (s): Walter Aguiar AlonsoJavier MaldonadoErick Guiez BozoManuel Torres M.

Nombre Profesor: Silvio Montalvo

Fecha: 29de septiembre de 2010


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ndice

Tema pg.

1. Introduccin...3

1.1. Objetivo principal

1.2. Objetivo especficos

2. Marco terico4-6

3. Materiales y Mtodos....7-8

3.1. Materiales

3.2. Metodologas

4. Resultados.. 9-10

5. Discusiones.... 11

6. Conclusiones.....12

7. Bibliografa...13


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Introduccin

El tratamiento de agua puede subdividirse en cuatro etapas: clarificacin, desinfeccin,

acondicionamiento qumico y acondicionamiento organolptico. El presente informe

se realiza la etapa de clarificacin mediante coagulacin, floculacin, sedimentacin

y/o filtracin, esta consiste en la eliminacin de partculas finas.

El agua posee tres tipos de impurezas: estas son las fsicas, qumicas y biolgicas. Las

impurezas del tipo fsicas se le asignan a los slidos totales las cuales son impurezas del

agua estas se pueden dividir o clasificar en partculas no filtrables o en suspensin,

filtrables o disueltas y el caso intermedio corresponde a los coloides.

Ahora los coloides, cada partcula que los forman se encuentra estabilizada por una

serie de cargas de igual signo sobre su superficie, esto produce que se repelan dos

partculas vecinas (igual que dos polos del mismo signo). Por causa de este fenmeno

no se ocasionan choques entre las partculas y las cuales formen as masas mayores,

denominadas flculos, para que las partculas sedimenten. Las operaciones de

coagulacin y floculacin desestabilizan los coloides y consiguen su sedimentacin.

Esto se lleva a cabo normalmente con la adicin de agentes qumicos y aplicando

energa de mezclado.

Existen dos conceptos para entender la clarificacin del agua uno es la turbiedad y el

otro es el color estos estn ntimamente relacionados, el primero es la propiedad

ptica de una muestra de diseminar y absorber la luz en lugar de transmitirla en lnea

recta y el segundo se le llama color aparente al no removerse la turbiedad y de color

verdadero de agua si ocurre lo contrario.

Para medir la turbiedad del agua esta la primera clase de equipos el

turbidmetro de aguja de platino y la buja de Jackson, los cuales son aptos para medirturbiedades altas. En la segunda clase de equipos est el turbidmetro Hach, que se

utiliza para medir turbiedades bajas (nefelometra) y en general el color se determina

con tubos Nessler. El color del agua se debe principalmente a materia orgnica o

minerales en suspensin o en estado coloidal. En general las sustancias lioflicas son

responsables de la coloracin del agua.

Objetivo general:

Determinar slidos suspendidos y slidos totales por medio de espectrofotometrautilizando los mtodos de floculacin y coagulacin.


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Marco terico

Para realizar el tratamiento de aguas las cuales contienen una composicin muchas veces muy

compleja o de difcil caracterizacin a veces resulta complicado aplicar sobre ella mecanismos

de tratamiento con microorganismos, o puede darse el caso que el afluente residual sea de

una composicin altamente coloidal las cuales no pueden ser removidas por un proceso de

sedimentacin estndar como a los que son sometidos habitualmente los residuales. Para

afrontar estos problemas se han propuesto distintos tipos de soluciones en la ltima dcada, la

utilizacin de agentes floculantes o agentes coagulantes, los cuales desestabilicen inicamente

las partculas coloidales presentes en el residual, que no son eliminables mediante el uso de la

sedimentacin convencional. Fundamentalmente se trabaja con compuestos como sales de

hierro o aluminio las cuales en solucin se disocien efectivamente generndose sus iones los

cuales realicen ataques nucleofilicos a las partculas coloidales y desestabilicen las micelas que

puedan haber presentes en el residual. Estos agentes contribuyen en que, luego de tal

desestabilizacin, es posible aumentar el tamao de las partculas coloidales por sobre el

umbral de tamao criterio de coloide (partcula la cual posea una longitud de 0,1 a 1 micra de

tamao) para que as las interacciones generadas por las fuerzas de van der waals hagan queestas molculas empiecen a aglomerarse y floculen en el estanque, lecho, o reactor en donde

se lleve a cabo el proceso, tambin cabe mencionar que en determinadas circunstancias estos

agentes de agregan directamente al afluente del proceso y/o puede pasar posteriormente por

un homogeneizador en el caso en que el residual sea muy denso y/o heterogneo en

composicin por tanto no se alcanzara a completar el fenmeno de difusin del agente en el

residual. A continuacin se har un recordatorio acerca de que es la coagulacin y floculacin

de partculas coloidales en un residual liquido.

Fenmenos de interaccin intermoleculares involucrados en sedimentacin y tratamiento de

residuos industriales (RILES) o domsticos.

Coagulacin y floculacin

Son dos de los procesos ms importantes dentro de la etapa de clarificacin del agua. Se

pueden resumir como una etapa en la cual las partculas se aglutinan en pequeas masas

llamadas flculos tal que su peso especfico supere a la del agua y as puedan sedimentar con

el resto de partculas presentes en el residual. La coagulacin se refiere al proceso de

desestabilizacin de las partculas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de

separacin entre ellas. La floculacin tiene relacin con los fenmenos de transporte dentro

del lquido para que las partculas hagan contacto. Esto implica la formacin de puentes

qumicos (fuerzas de van der waals) entre partculas de modo que se forme una malla de

cogulos, la cual sera tridimensional y porosa. As se formara, mediante el crecimiento o

aglomeracin de partculas coaguladas, flculos cada vez ms grandes los cuales sean capaces

de sedimentar como particular de tamaos superiores. El trmino cogulo se refiere a las

reacciones que suceden al agregar un reactivo qumico (coagulante) en agua, originando

productos insolubles. La coagulacin comienza al agregar el coagulante al agua y dura

fracciones de segundo.


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5

Modelos Tericos de la Coagulacin y de La Floculacin.Existen dos modelos de la coagulacin. El modelo fsico o de la doble capa, basadoen fuerzas

electrostticas de atraccin y repulsin, El otro modelo es qumico, llamado puente qumico,

que relaciona una dependencia entre el coagulante y la superficie de los coloides. Para la

floculacin existen tambin dos modelos. El primero es llamado ortocintico, el cual es

promovido por agitacin externa principalmente. Influyen partculas de tamao superior al

micrn y tiene relacin con los gradientes de velocidad del lquido. El segundo modelo se llama

pericintico y se diferencia del primero en que su fuente de agitacin es interna.

Modelos Fsicos de la Coagulacin.a) Modelo de Helmholtz: Su fundamento se basa en dos superficies cargadas elctricamente y

separadas por una distancia d constante.

b) Modelo de Gouy Chapman: Introduce el concepto de capa difusa. Para esto usa la ecuacin

de Poisson, lo que permite calcular las posiciones de equilibrio de los iones de la doble capa.

c) Modelo de Stern: Seala que existe la posibilidad de coexistencia de ambas capas. Por tanto,

es un modelo de doble capa elctrica. Hay una capa fija de contraiones que est adherida a la

superficie coloidal (en ella el potencial cae rpido). Parte de la capa difusa de contraiones est

adsorbida a la superficie de la partcula coloidal y se mueve con ella.

La capa fija se compara al modelo de un condensador elctrico. La superficie del coloide ms el

solvente adherido forman una placa con carga /q1/ + /q2/ y la capa difusa no adherida, la otra

placa con carga q3.

Modelo Qumico de la Coagulacin.

La carga de las partculas coloidales se produce por la ionizacin de grupos hidroxilo,

carboxilos, fosfatos o sulfatos, los cuales pueden estar presentes en la superficie de los

coloides. Estos grupos reaccionan con los iones metlicos de los coagulantes lo que genera la

posterior precipitacin. As la desestabilizacin de los sistemas coloidales se ve mejor bajo el

punto de vista qumico.

En general los coloides hidroflico requieren mayor cantidad de coagulante que los

Hidrofbico, que no reaccionan qumicamente con el coagulante. Entre los

coagulantes, el ms usado es el sulfato de aluminio (o alumbre). Esta sustancia

presenta las siguientes reacciones:

a) 22 4 2 43 3

6 2 6 3 Al SO H O Al OH H SO p

Esta reaccin va disminuyendo su pH a medida que la reaccin se lleva a cabo hasta un

Punto en que se detiene. Si el agua contiene bicarbonatos, el pH puede mantenerse

Relativamente constante, ya que estos actan como amortiguadores. La reaccin se

puede

Ver en (b).

b) 4 2 3 2 2 43 2 32 14 3 2 6 14 3Al S

Ca

C

Al

C

CaS

p


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6

Floculacin.

La floculacin es el proceso mediante el cual las molculas ya desestabilizadasentran en

contacto, agrandando los flculos de modo de facilitar la precipitacin. La floculacin puede

presentarse mediante dos mecanismos: floculacin ortocintica y pericintica, segn sea el

tamao de las partculas desetabilizadas (en general todas las partculas se ven afectadas por

ambos mecanismos). Las partculas pequeas (< 1um) estn sometidas a floculacin

pericintico, motivada por el movimiento browniano,+ mientras que las que presentan un

tamao mayor, estn afectadas principalmente por el gradiente de velocidad del lquido,

predominando en tal residual una floculacin de tipo ortocintica.

Floculacin Orto cintica.

Se realiza un anlisis por el mtodo de Von Smoluchowsky, el cual supone tan solo dos grupos

de partculas esfricas en suspensin en el lquido, con dimetros d1 y d2. Supone adems que

el lquido presenta un gradiente de velocidad no nulo entre uno y otro tipo de partculas.

Supone adems que el contacto entre estos dos distintos tipos de partculas genera la

floculacin, quedando a una distancia R entre sus centros:

1 2

2

d dR

!

El nmero de choques entre las partculas por unidad de volumen y por unidad de tiempo

depende del flujo de la suspensin acuosa que pasa a travs de una superficie circular de radio

R. Si se considera la velocidad relativa entre las partculas u y el gradiente de velocidad en la

direccin y como du/dy, entre los centros de las partculas puede considerarse constante,

debido a su pequea magnitud, es posible suponer una variacin lineal de la velocidad

mediante:

1/22 2

3

2

11 2

6

s

du u

dy y

Q dq

dq u a dy

a R y

reemplazando

duQ d d

dy

!

!

!

!

!

Si existen n1 partculas de dimetro d1 y n2 partculas de dimetro d2 por unidad de

volumen y ests son cantidades fijas y el gradiente de velocidad constante en toda la

masa lquida, se puede expresar el nmero de choques entre los dos tipos de

partculas de la forma siguiente.


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7

31 1

1 1 1 2

1

6

dN dN n n G d d

dt dt

ducon Gdy

! !

!

En el caso que G no sea constante se puede asumir un valor promedio de este y con taldefinicin la expresin anterior se vlida para todos los casos. El nmero de choques

de las n2 partculas con las n 1 partculas ser:

32 2

2 2 1 2

1

6

dN dN n Q n d d

dt dt! !

Y el nmero total de choques ser por tanto el reciproco de la multiplicacin de ambas

ecuaciones:

31 2

2 1 2 1 1 2

1

6

dN dN n n n n d d

dt dt ! !

Esto nos indica que el nmero de choques es proporcional a la concentracin de las

partculas, al gradiente de velocidad y al tamao de las mismas. A medida que

aumenta el tamao de partcula debido a los choques entre ellas, su nmero

disminuye, por lo que en definitiva disminuye el nmero de choques posibles. Adems

a medida que los flculos crecen se hace posible una posible ruptura de ellos por

fuerzas de corte existentes en el lquido.


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Materiales yMtodos

Materiales:

y 6 vasos precipitados de 500 mly Probeta de 500 mly pH- metroy Buffer 4 y 7y Agitador #####y Reactivo Coagulante A: Al2(SO4)3. 18H2Oy Reactivo Coagulante B:FeCl3.6H2Oy Colador

Mtodos Laboratorio A (fecha: 29 de septiembre)

1. Antes de empezar con el tratamiento de coagulacin, se tuvo que preparar la muestrade anlisis con distintos mtodos fsicos, en un principio con un colador, se eliminaron

los slidos suspendidos de mayor tamao.

2. Posteriormente, con una probeta se midieron 500 ml de muestra y se agregaron en unvaso precipitado de 500 ml, se repiti el mismo paso 3 veces.

3. Se pesaron en balanza analtica los gramos de reactivos; 25mg deFeCl3 y 50 mg deAl2(SO4)3. Como se realizaron duplicados de cada muestra, se realizaron dos pesados

del coagulante A y dos del coagulante B.

4. Antes de agregar los coagulantes, se ajusto el pH de las soluciones a los valorescorrespondientes al mtodo de trabajo; 5,5 para FeCl3.6H2O y 7 para Al2(SO4)3. 18H2O.

5. Una vez ajustados los pH, se agregaron los coagulantes a cada muestra y se agitaron a150 RPM por 1 minuto y seguidamente a 45 RPM por 3 minutos.

6. Una vez terminada la agitacin, se dejo coagular por 30 minutos y se observaron lasalturas de precipitacin del material coagulado.

Mtodos Laboratorio B (fecha: 6 de octubre)

1. En este laboratorio, se realizo un diseo de experimento 22 para probar a queconcentracin de coagulante en estudio y a que pH se puede actuar frente a una

determinada muestra de efluente. En un principio se hizo un tratamiento de

separacin de los slidos de mayor tamao con un colador.

2. Una vez colada la muestra, se agregaron 500 ml de muestra, medidos en una probeta,en 6 vasos precipitados de 500 ml.

3. Se midieron los pH de cada muestra y se ajustaron 3 vasos a pH 6 y 3 vasos a pH 4 conAcido Sulfrico 0,1 M.


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9

4. Una vez ajustados los pH, se pesaron en balanza analtica los gramos del coagulanteFeCl3.6H2O para las distintas concentraciones; 30, 45 y 60 mg/L que se probaron. Para

obtener muestras ms representativas, el anlisis se realiz por duplicado de cada

muestra.

5. Se agitaron a 120 RPM por 1 minuto y seguidamente a 45 RPM por 3 minutos. 6. Una vez terminada la agitacin, se dejo coagular por 30 minutos y se observaron las

alturas de precipitacin del material coagulado.


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Resultados

Clculodelacantidaddecoagulante

Debido a que el coagulante estaba hidratado en ambos casos, se calcul la masa

considerando los factores gravimtricos. Los clculos para el sulfato de aluminio se muestran a

continuacin:

2 4 3

2 4 23

2 4 3

1

2 4 23

342,15

.18 666, 43

342,150,5134

666,43.18

PM Al SO g mol

PM Al SO H O g mol

PM Al SO g molR

g molPM Al SO H O

!

!

! ! !

De igual manera se calcul el factor gravimtrico del cloruro de hierro (III), como se

muestra a continuacin:

3

3 2

3

2

3 2

162, 20

.6 270, 29

162, 200,6

.6 270, 29

PM F eCl g mol

PM F eCl

g mol

PM F eCl g molR

FeCl

g mol

!

!

! ! !

Considerando que se requeran 50 mg/l de FeCl3 y 100 mg/l de Al2(SO4)3 se calcularon las

masas de ambos coagulantes para agregar a 500 ml de muestra. Estos clculos se pueden ver a

continuacin:

2 43

4

2 4 3

2 4 1 2 4 23 3

42 4 3

2 4 23

1

4

2 4 23

2 4 2 2 43 3

100 0,5 50 0,05

0,051, 46133 10

342,15

.18

1, 46133 10.18

0,5134

.18 2,8464 10

.18 .18

m Al S

mg l l mg g

gn Al S mol

g mol

n Al S

R n Al S

n Al S mol

n Al S

R

n Al S

mol

m Al S

n Al S

! ! !

! !

!

! !

!

!

2 2 4 23

4

2 4 23

.18

.18 2,8464 10 666, 43 0,1897

O PM Al SO H O

m Al SO H O mol g mol g

!

!


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11

3

4

3

3 2 3 2

4

33 2

2

4

3 2

3 2 3 2 3 2

3 2

50 0,5 25 0,025

0,0251,5413 10

162, 20

.6

1,5413 10.6

0,6

.6 2,5688 10

.6 .6 .6

.6

m FeCl mg l l mg g

gn FeCl mol

g mol

n FeCl R n FeCl H O

n FeClmoln FeCl H O

R

n FeCl H O mol

m FeCl H O n FeCl H O PM FeCl H O

m FeCl H O

! ! !

! !

!

! !

!

!

!4

2,5688 10 270, 29 0, 06943mol g mol g

!

A continuacin se muestra la tabla que indica la cantidad de coagulante agregado a cada

vaso de precipitado:

Tabla # :CantidadesdecoagulanteporvasoVaso Coagulante pH Masacoagulante (g)

1 Al2(SO4)3.18H2O 7,11 0,1933

2 FeCl3.6H2O 5,86 0,0710

Medicindelosslidosremovidosporpesoseco

A continuacin se muestra la tabla con los slidos al inicio y al final del experimento. Los

slidos de las muestras 1 y 2 son medidos antes de la coagulacin. Los slidos de las muestras

3 y 4 son medidos despus de la coagulacin:

Tabla # :MedicindeslidosporpesosecoMuestra Masadepapelde

filtroseco (g)Masadepapelcon

slidossecos (g)Masaslidos (g) Coagulante

1 0,7488 1,2456 0,4968 Al2(SO4)3.18H2O2 0,7226 1,2252 0,5026 FeCl3.6H2O

3 0,6934 0,6938 0,0024 Al2(SO4)3.18H2O

4 0,7154 0,7280 0,0098 FeCl3.6H2O

Con estos datos se calcul el porcentaje de remocin de los slidos utilizando cada agente

coagulante. Los clculos se hicieron utilizando la siguiente ecuacin:

1 2

1

100masa masa

remocionmasa

!

Donde la masa1 es la medida antes de la coagulacin y la masa2 es la medida despus de la

coagulacin. Como resultado se obtuvieron los siguientes porcentajes.

Tabla # PorcentajesderemocindeslidosCoagulante Remocin (%)

Al2(SO4)3.18H2O 99,52

FeCl3.6H2O 98,05


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12

De es

mane

a se pudo aprec

ar que amboscoagulantes poseen un alto porcentaje de

remoc

n des

lidos sin embargo el mayor porcentaje de remocin se obtuvo con el Sulfato

de aluminio.

Dis

o d

xp

i

ntos 22

Para el coagulante decloruro de hierro (III) se realiz un dise

o dee

perimentos factorial2

2 en el cual se consideraron como parmetros principales el pH y la concentracin de

coagulante. Se consideraron tres concentraciones de coagulante de 30 45 y 60 mg/l

respectivamente. Tambin se fijaron 4y6como losvalores de pH. Debido a que una de las

caractersticas del residuo quese quiso eliminar fueel color, se decidi medir la absorbancia

como variable de respuesta. Se realiz un barrido de espectro a la muestra para obtener la

longitud de onda a la cual se medira la absorbancia. Este barrido result en el siguiente

grfico:

En este grfico se pudo apreciar queel mayor valor de absorbancia seencontr entre400y

500 nm. Por esta razn se decidi medir la absorbancia a 450 nm. La absorbancia de la

muestra cruda sin tratamiento se consider como el 100% de slidos. Para determinar los

porcentajes de remocin se trabaj con las absorbancias de las muestras medidas despus de

la coagulacin. Este porcentaje de remocin se determin utilizando la siguienteecuacin:

1 2

1

100 ABS ABS

remocionABS

!


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13

Donde ABS1y ABS2son losvalores de las absorbancias antesy despus de la coagulacin

respectivamente. Los resultados deestee

perimento se muestran en la siguiente tabla:

Tabla#

sultados d

l dis

o

xp

i!

ntal

"

u

st

a Con#

nt

acin (!

$

/L%

p&

Abso

bancia !

ocin (%%

1 30 4 0,038 98,49

2 45 4 0,028 98,88

3 60 4 0,018 99,28

4 30 6 2,506 0,16

5 45 6 2,383 5,06

6 60 6 2,417 3,71

Crudo - - 2,510 -

Este dise'

o e

perimental se analiz en Statgraphics Plus para Windows versin 4.0. Se

consideraron solamente los valores deconcentracin de 30 y 60 mg/l ya que losvalores de

45mg/l no pudieron ser puntos centrales del e

perimento debido a que los resultados para

estasconcentraciones no se analizaron a valores de pH mediosentre4y6.

El diagrama de Pareto obtenido muestra la significancia de los parmetros medidos:

Figura 1: Diagrama de Pareto para el dise ( o dee)

perimentos realizado

Como se puede apreciar en el Diagrama de Pareto se muestra claramente queel factor de

mayor significancia en el anlisis fueel pH. Con este resultado se obtuvo la siguienteecuacin

para la remocin decolor yslidosen el residuo:

Remocion % = 50,41 - 24,24 pH

Pareto Chart forRemocion

Effect

0 20 40 60 80 100

AB

A:Concentracion

B:pH


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Discusiones

El trabajo de coagulacin se realiz con dos residuos distintos. El primer residuo se trabaj

con dos coagulantes diferentes, donde se comprob que los porcentajes de remocin eran

similares y muy altos. En este primer trabajo se pudo apreciar que los coagulantes funcionan

mejor a las condiciones de pH que estn dadas en el protocolo. Como se pretendi eliminar la

mayora de los slidos suspendidos en el lquido, se midi la cantidad de slidos totales y los

slidos suspendidos despus del proceso de coagulacin utilizando la gravimetra.

En el caso del segundo laboratorio se trabaj con un residuo que contena residuos lcteos

entre otros componentes. Se pretenda eliminar el color y por esta razn se utiliz la

absorbancia como parmetro de medicin. Debido a que los productos lcteos contienen gran

cantidad de protenas, la mayora de estas precipitaron al variar el valor del pH. La razn por la

que existi coagulacin a pH 4, fue que las protenas el residuo, se encontraban en forma

coloidal a un pH muy bsico. Una vez que se aadi el cido clorhdrico, la capa difusa que

mantena las protenas en suspensin, fue neutralizada haciendo que las protenas se

aglomeraran y precipitaran por accin de la gravedad. El agente coagulante contribuy a la

precipitacin, pero su significancia segn el diseo de experimentos fue muy baja. Por esta

razn se consider que el pH cido influy mucho ms en el proceso de coagulacin.


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Conclusiones

La muestra problema no presentaba una gran cantidad de slidos sedimentables con

relacin a los slidos suspendidos.

Uno de los principales problemas en esta muestra fue homogeneizarla para poder

trasvasijar la mayor parte de slidos sedimentables desde el vaso pp. hasta el embudo imhoff y

la probeta.


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Bibliografa

y Ing. Vctor Maldonado Yactayo Sedimentacin p. 1-13y R. S. Ramalho Tratamiento de Aguas Residuales Faculty of Science and

Engineering Laval University. Quebec Canada p. 93-95

y Anlisis y Diseo de tratamientos Primarios. Disponible en la web:http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capit

ulo5.pdf

informe_coagulacion_floculacion[2]

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