SOFTWARE DE ESPECIACIÓN QUÍMICA: UNA APROXIMACIÓN ECONÓMICA Y

EFECTIVA PARA ELPRETRATAMIENTO DE PLANTAS CON

MEMBRANAS

Dr. Joan LlorensDepartamento de Ingeniería Química y Química AnalíticaUniversidad de Barcelona

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Objetivo

Termodinámica de soluciones acuosas

Funcionamiento de un software de especiación química

Ejemplos:CO2 + NH3 + H2OTratamiento de una agua de pozo que contiene boro y arsénicoPredicción de rechazos en un proceso de nanofiltración

CONTENIDO

OBJETIVO

Determinar cuantitativamente todas las especies químicas de un sistema, que puede contener líquidos, sólidos y gas, cuando se especifica la composición química global, la temperatura y la presión.

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La información generada puede permitir ahorrar muchas pruebas de laboratorio en un proceso para optimizar un tratamiento.

Las simulaciones permiten llegar más rápidamente a un optimo con menos gasto de tiempo i materiales.

Beneficio

Reactivos Productos 𝑲𝑹 =𝚷𝒑𝒓𝒐𝒅. 𝒂𝒊

𝝂𝒊

𝚷𝒓𝒆𝒂𝒄𝒕. 𝒂𝒊𝝂𝒊

Modelo BROMLEY ZEMAITIS para cálculos de coeficientes de actividad

A = Coeficiente de Debye-Hückelz = Carga eléctrica del ion i o jNO = Número de iones con carga opuesta al ion iBij, Cij y Dij = Parámetros empíricos que dependen de la temperatura y de las interacciones de todos los iones, j, con carga opuesta al ion i

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑖ó𝑛𝑖𝑐𝑎 = 𝐼 =1

2

𝑖=1

𝑡𝑜𝑑𝑜𝑠

𝑧𝑖2 · 𝑚𝑖

TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES ACUOSAS

𝒂𝒊 = 𝜸𝒊 · 𝒎𝒊

𝜸𝒊 = 𝒄𝒐𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒂𝒄𝒕𝒊𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒆𝒔𝒑𝒆𝒄𝒊𝒆 𝒊

𝒎𝒊 = 𝒎𝒐𝒍𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒆𝒔𝒑𝒆𝒄𝒊𝒆 𝒊

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Concentración estándar = 1 mol/kg disolvente = 1 molal

𝝂𝒊 = 𝒄𝒐𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆𝒔 𝒆𝒔𝒕𝒆𝒒𝒖𝒊𝒐𝒎é𝒕𝒓𝒊𝒄𝒐𝒔

TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES ACUOSAS

Tendencia de una sal a precipitar SCALING TENDENCY (ST)

𝑺𝑻 =𝚷𝒑𝒓𝒐𝒅. 𝒂𝒊

𝝂𝒊

𝑲𝒑𝒔

Kps = producto de solubilidad de la salSi ST < 1 la solución de la sal no está saturadaSi ST = 1 la solución de la sal está saturadaSi ST > 1 la solución de la sal está saturada y hay sólido precipitado o está sobresaturada y puede haber sólido precipitado o no.

Presión osmótica

𝚷 = −𝑹 𝑻 𝑳𝒏 𝒂𝑯𝟐𝑶

𝑽𝑯𝟐𝑶

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Balances:- NITROGENO- CARBONO- HIDRÓGENO o OXIGENO o GLOBAL

W = masa de H2O

EJEMPLO: CO2 + NH3 + H2O Reacciones y equilibrios químicos

Electroneutralidad

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El simulador

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El simulador permite calcular múltiples propiedades termodinámicas del sistema

El simulador

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El simulador puede trabajar con distintos tipos de unidades.

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El simuladorEl simulador puede manejar fases acuosas, sólidas y vapor en equilibrio. Se dispone de dos tipos de modelos termodinámicos, dependiendo del tipo de soluciones que se quieran tratar.

El simulador

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El simulador permite obtener soluciones aceptables hasta fuerzas iónicas de hasta 30 molal.Las bases de datos de propiedades termodinámicas incluyen más de 6000 especies con sus diversos grados de oxidación.

EJEMPLO: CO2 + NH3 + H2O

Report

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Introducción de datos

Resumen

EJEMPLO: CO2 + NH3 + H2O

Especiación

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Report

Tendencia a precipitar

Balance elemental

Objetivo:• Diseñar tratamientos para poder obtener un porcentaje elevado de agua osmotizada• Los tratamientos implican:

• Oxidar el As(III) a As(V) para mejorar su retención por la membrana en el proceso de osmosis.

• Rebajar el nivel calcio i carbonatos para evitar precipitaciones de sales cálcicas durante el proceso de osmosis cuando se concentra las sales en la corriente de rechazo.

• Elevar el pH para favorecer la retención de boro y arsénico por la membrana.

pH = 6.7Alcalinidad (mg HCO3

-/L) = 60.0

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICODatos analíticos

Reconciliación de cargas eléctricas, ajuste de pH y alcalinidad

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Introducción de los datos analíticos y generación de la composición del sistema

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Hay 88 especies distintas

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Tendencia a precipitar Balance elemental

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Las especies neutras (H3BO3, H3As(III)O3, H3As(V)O4) atraviesan las membranas de osmosis con más facilidad que las especies iónicas. En este caso se deduce que hay que oxidar el As(III) a As(V).

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

ChemistryModel options Redox

Preparación del software para simular un proceso de oxidación con NaClO

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Adiciones de NaClO con registro de especies que se oxidan y registro de ORP (Oxidación Reducción Potencial)

Se decide introducir siempre 15 ppm de NaClO

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICOAdiciones de NaOH para precipitar carbonatos e hidróxidos

HCO3- + OH- CO3

2- + H2O

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICOAdiciones de Na2CO3 para precipitar carbonatos

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICOAdición de 140 ppm de NaOH y adiciones crecientes de Na2CO3 para reducir el ST de sales cálcicas a ST < 1/2.

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Eliminación del precipitado

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Acidificación para reducir el ET de la sal más insoluble, carbonato cálcico, a ST < 1/2.

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

En el caso de no aplicar el tratamiento (140 ppm de NaOH y 660 ppm de Na2CO3 ) hay que aumentar el pH para favorecer la retención de boro, hasta que el ET de la sal más insoluble, carbonato cálcico, sea ST < 1/2.

Con tratamiento

Sin tratamiento

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TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO

Agua con 16 ppm de NaClO + 26 ppm de NaOH• pH = 6.8• STmáx < 1/2

Agua con 16 ppm de NaClO + 140 ppm de NaOH + 660 ppm de Na2CO3 + 9 ppm de HCl• pH = 8.9• STmáx < 1/2

Boro no ionizadoArsénico totalmente ionizado

Boro ionizado en un 44%Arsénico totalmente ionizado

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Influencia del pH sobre el rechazo de Cu, Ni y Fe en una solución: 0,1 mM Fe3+, 0,1 mM Cu2+, 0,1 mM Ni2+, 0,1 mM Cl- y 1,5 mM de ácido cítrico.

Membrana polimérica de nanofiltración MPF-36 de Koch

PREDICCIÓN DE RECHAZOS EN UN

PROCESO DE NANOFILTRACIÓN

pH = 2.0

Rechazos experimentales Rechazos estimados

Criterio adoptado: R = 0 para especies neutras y especies -1 y +1. R = 1 para todas las demás especies

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Visual MINTEQ 3.1 (12/2016) HYDRA/MEDUSA (12/2010)

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Actualmenteestá disponiblela versión 9.5

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Gracias por su atención