tema 06 coagulacion y floculacion (1)

Captulo 3. POTABILIZACIN DE AGUASTema 6. Coagulacin y floculacin

CLARIFICACIN

Objetivo El proceso de clarificacin tiene como objetivo la eliminacin de sustancias en suspensin, sustancias disueltas y la supresin de la flora microbiana, adems de la posible correccin de algunas caractersticas fsico-microbiana, adems de la posible correccin de algunas caractersticas fsicoqumicas.

El proceso de clarificacin incluye las siguientes etapas: coagulacin, floculacin, decantacin y filtracindecantacin y filtracin.

CLARIFICACIN

Coagulacin Floculacin Separacin de partculasg p p

Sedimentacin FiltracinSedimentacin Filtracin2


SUSPENSIONES COLOIDALES

Se denominan suspensiones coloidales (o coloides) a los sistemas fsico-qumicos estables formados por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa (en menor proporcin) en forma de partculas, por lo general slidas.La teora de la estabilidad de los coloides se conoce como la teora de la doble capa elctrica (double electrical layer), debido a como se modela la superficie y ), pintermedia entre la partcula coloidal y el seno del lquido.

La primera teora sobre la doble capa elctrica laLa primera teora sobre la doble capa elctrica la propuso Hemholtz en 1879, y fue modificada posteriormente por varios investigadores como Couy, Chapman y SternChapman y Stern.

Parte de la base de que las cargas superficiales de la partcula coloidal atraen iones de carga opuesta,

h l3

establecindose un estado de carga neutra entre la partcula y su alrededor inmediato

Hermann von Hemholtz (1821 1894)


En esta zona de carga neutra, el continuo movimiento de las molculas de agua impone la existencia de una capa difusa de cargas elctricas que se extienden ghacia el seno del agua.

Aparecen as varias zonas que denominaremos:

a) Capa superficial del coloide (carga negativa), donde existe un potencial elctrico denominado Potencial de Nernst

b) Capa de Stern, constituida por cargas de signo positivo atradasde signo positivo, atradas fuertemente por la superficie coloidal, donde el potencial elctrico se denomina potencial de Stern.denomina potencial de Stern.

c) Capa difusa de Gouy-Chapman, constituida por el resto de iones

il h t l fi i t d lmviles, hasta la superficie neutra del liquido 4


Potencial Zeta Evidentemente, la partcula coloidal cargada tiene un cierto potencial elctrico con respecto a la solucin neutra en la que se halla, potencial que decrece hasta una distancia suficiente para que los efectos de la carga sean inapreciables. El valor de la diferencia de potencial entre el lmite de solucin rgidamente unida a la partcula y la masa del lquido se denomina potencial Zeta.

5


La existencia del potencial Zeta y esta doble capa es lo que impide ladoble capa es lo que impide la aproximacin de las partculas a una distancia suficiente como para que las fuerzas atractivas de Van der Waalsfuerzas atractivas de Van der Waals entren en accin y agrupen los coloides.

Unido a ello aparece el fenmeno de la repulsin electrosttica entre cargas de igual signo, de modo que todo ello fortalece la estabilidad del sistema.

El conseguir la formacin de agregados de partculas o flculos depender de la capacidad de ruptura de la estabilidad de p plos coloides, o dicho de otro modo, ser funcin de la posibilidad de reducir el potencial Zeta existente entre partcula y la capa lmite que define la zona de movilidad inica. 6


Las partculas coloidales estn en constante movimiento y se producen li i d l d d C t li icolisiones de las que se desprende energa. Cuantas ms colisiones se

produzcan, mayor ser la posibilidad de agregacin; a pesar de ello, no se generar un nmero suficiente de uniones fruto de la colisin, si no existe una previa desestabilizacin del equilibrio coloidalprevia desestabilizacin del equilibrio coloidal

Pueden aumentarse las colisiones entre partculas, estableciendo flujos hidrulicos, recurriendo a la creacin de zonas de mezcla rpida o zonas de gran turbulencia, variando las condiciones de agitacin

Entre las distintas molculas, existe una fuerza cohesiva atmica, resultante de la atraccin entre todos los tomos, pues en un conjunto cada uno atrae alla atraccin entre todos los tomos, pues en un conjunto cada uno atrae al resto. Esta es la fuerza de Van der Waals, y el efecto agregador slo tiene lugar cuando las fuerzas atractivas superen a las electrostticas de repulsin, facilitando la aproximacin y adherencia de unas partculas con otras p y pprogresivamente.

Por ltimo, y en menor escala, existe la fuerza gravitacional, la cual decantar las partculas presentes en el agua aunque algunas por tamao superficielas partculas presentes en el agua, aunque algunas, por tamao, superficie especfica y peso, necesitaran para ello un tiempo casi infinito 7


COAGULACIN

Se denomina coagulacin al proceso de desestabilizacin y posterior agregacin de partculas en suspensin coloidal presentes en el agua, para potenciar la etapa de decantacin o espesado en la que esas partculas deben separarse del agua.

La desestabilizacin se consigue neutralizando sus cargas elctricas, con lo que dejan de actuar las fuerzas de repulsin, su potencial Zeta se anula y los coloides tienden a agregarse por accin de masastienden a agregarse por accin de masasNormalmente, las partculas a coagular proceden :

1) Del suelo, por arrastre de minerales en disolucin

2) De descomposicin de materia orgnica natural en los cursos de agua

83) De vertidos domsticos

e industriales


El objetivo de la coagulacin como proceso previo a la decantacin es cambiar las propiedades de los elementos insolubles de modo que sean ms fcilmentepropiedades de los elementos insolubles, de modo que sean ms fcilmente separables.

Como es mucho ms sencillo separar partculas grandes y pesadas que partculas li d fi i fi l d l i t d ligeras y de poca superficie especfica, el proceso de coagulacin tender a agrupar partculas pequeas en otras mayores, y por tanto ms slidas, que denominaremos flculos, para as separarlas ms fcilmente.

Aspecto de un flculo (muestra obtenida por contraste de fases 9


Los tamaos de partcula que podemos encontrar son los siguientes:

P l f d i d 10 7- Partculas que estn en forma de suspensin, de tamao >10 -7 m,

- Las que forman solucin coloidal, de tamao entre 10 -7 y 10 -9 m.

A ll f d d l i d t


FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO

1) Tipo y cantidad de coagulante Aunque hay una cierta relacin entre la turbidez del agua bruta y la dosis de coagulante, la cantidad exacta se debe determinar mediante ensayos (Jar-Test) para evitar y ( ) psobredosificaciones que rompan la adsorcin superficial.

2) pH del agua Para cada coagulante, existe una zona de pH donde se produce una buena floculacin en plazo corto y con una dosis dada deproduce una buena floculacin en plazo corto y con una dosis dada de coagulante, debindose efectuar, siempre que sea posible, en esa zona para optimizar productos y rendimientos.

3) Tiempo de mezcla y floculacin (periodo de coagulacin) Es el tiempo transcurrido entre la adicin de coagulante y el final de la agitacin a una velocidad que impida la decantacin de las materias fl l dfloculadas.

4) Temperatura del agua La temperatura influye en el tiempo requerido para una buena formacin de cogulos, (ms fra, ms tiempo)p g , ( , p )

5) Agitacin y presencia de ncleos (slidos en suspensin) 11


Mecanismos de funcionamiento La reaccin de los compuestos coagulantes con el agua implica:g

1) Desestabilizacin de las partculas coloidales por compresin de la capa doble, debido al aumento de concentracin de especies inicasconcentracin de especies inicas

2) Desestabilizacin coloidal por reduccin del potencial Zeta, debida a la adsorcin en la superficie coloidal d l i i i li l itide las especies inicas polinucleares positivas (hidroxocomplejos).

3) Coagulacin o aglomeracin por arrastre de partculas) g g p p

En la prctica, los procesos de coagulacin combinan los tres mecanismos descritos y, segn las condiciones externas (pH, temperatura, tipo de coagulante, etc ) predominar un mecanismo sobre los otrosetc.) predominar un mecanismo sobre los otros

Por ejemplo, a bajo pH y bajas dosificaciones de coagulante, predomina el mecanismo de adsorcin (caso 2) y de desestabilizacin (caso 1), mientras que a pH altos y altas dosificaciones de coagulante predomina el mecanismo de arrastre (caso 3). 12


COAGULANTES

La coagulacin se produce aadiendo a la dispersin iones de signo contrario al del coloide (coagulantes)

Caractersticas Las ms importantes son:p1) Cargas opuestas al coloide, con el fin de neutralizar las fuerzas

electrostticas (punto isoelctrico o potencial Zeta nulo).

A veces, el reactivo coagulante no consigue reducir el potencial Zeta hasta valores prximos a cero, siendo necesarios otros compuestos de apoyo denominados coadyuvantes

2) Han de tener la mayor valencia posible, para que la rotura de la estabilidad coloidal sea lo ms rpida posible

) f f3) Han de ser muy pesados, para que los flculos formados puedan separarse lo ms rpidamente posible por precipitacin

Cuando se aaden los coagulantes se produce una hidrolizacin, con la formacin g p ,de hidrxidos coloidales insolubles que adsorben las partculas coloidales, propiciando la precipitacin. 13


Productos coagulantes Podemos distinguir dos grandes grupos:1) Coagulantes inorgnicos1) Coagulantes inorgnicos

- Sulfato de almina (slido, SAS o lquido, SAL)

- Polmeros de aluminio (sales de aluminio que se condensan- Polmeros de aluminio (sales de aluminio que se condensan dando lugar a polmeros que son capaces de coagular)

2) Coagulantes orgnicos (polielectrolitos) que, a su vez, pueden ser:

- De origen natural Derivados del almidn, celulosa En ocasiones son considerados auxiliares de la coagulacin o coadyuvantes.y

- Sintticos Macromolculas de cadena larga (xido de polietileno, poliacrilamida)

Productos coadyuvantes Tambin distinguiremos entre:1) Coadyuvantes inorgnicos Cal, arcilla, sulfato de magnesio2) Coadyuvantes orgnicos Alginatos (extracto de algas), almidones

(extracto de granos vegetales) 14


El coagulante ideal ser, por tanto, el que en primer lugar facilite una carga para la desestabilizacin de los coloides y despus forme el cogulo o flculo primario y gsobre el cual pudieran adsorberse fcilmente las partculas.

- Aguas muy claras Se precisa un floculo voluminoso y de rpida velocidad de formacin (prevalece el mecanismo de adsorcin)velocidad de formacin (prevalece el mecanismo de adsorcin).

- Aguas residuales Se precisa de una elevada densidad de carga para la desestabilizacin.

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DOSIFICACIN

La dosificacin de coagulante es muy variable en los diferentes mbitos, siendo necesario establecer un valor ptimo mediante pruebas de laboratorio y ajustes de fbrica.

Dentro de las pruebas de laboratorio, destaca el ensayo Jar-Test.

La importancia del ensayo deriva de su facilidad de realizacin, interpretacin y versatilidad al estudiar diferentes parmetros que influyen en el proceso de coagulacin floculacin, determinando:

- Seleccin de coagulantes y/o floculantesSeleccin de coagulantes y/o floculantes

- Dosificacin ptima

- Determinacin de los puntos de dosificacinp

- Fijacin de un pH ptimo de coagulacin

- Ajuste de velocidades y tiempos de agitacin

- Incidencia de otros reactivos 16


Ensayo Jar - Test

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La metodologa a seguir es la siguiente:

1) Colocacin de las muestras en los vasos

2) Agitacin rpida de la muestra mientras se adicionan las diferentes dosis de reactivodosis de reactivo

3) Agitacin lenta durante 15 minutos

4) Se levantan las palas y se deja decantar 15 20 minutos4) Se levantan las palas y se deja decantar 15 20 minutos

5) Se toma medida de la turbidez de agua superficial aproximadamente 1 cm por debajo de la lmina de agua en cada uno de los vasos de

i it iprecipitacin.

Posteriormente se pueden modificar diferentes parmetros (por ejemplo, el pH del agua) para as comprobar su influencia en el proceso. g ) p p p

Finalmente, una vez determinado el pH y el coagulante a emplear, se hacen diferentes ensayos modificando la dosis a emplear, de tal manera que podamos definir mediante un criterio econmico la dosificacin necesaria para aplicar adefinir mediante un criterio econmico, la dosificacin necesaria para aplicar a nuestra planta de tratamiento

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Captulo 3. PRETRATAMIENTOTema 7. Floculacin


DEFINICINFLOCULACIN

La floculacin es la aglomeracin de partculas desestabilizadas en microflculos y despus en los flculos ms grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados decantadores.

El proceso de floculacin es precedido por el de coagulacin, por eso suele hablarse de procesos de coagulacin - floculacin.

La coagulacin es la desestabilizacin de las partculas coloidales causadas por laLa coagulacin es la desestabilizacin de las partculas coloidales causadas por la adicin de un reactivo qumico (coagulante) que, neutralizando las cargas electrostticas, hace que las partculas tiendan a unirse entre s.

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En el proceso de floculacin es importante conseguir la formacin del flculo de mayor peso y cohesin posible ya que estas caractersticas facilitan sude mayor peso y cohesin posible, ya que estas caractersticas facilitan su eliminacin.

En general, algunos de los siguientes medios favorecen el engrosamiento y, consecuentemente, la sedimentabilidad del flculo:

1) Una coagulacin previa tan perfecta como sea posible

) f2) Un aumento de la cantidad de flculos en el agua.

As, conviene poner el agua en contacto con los precipitados ya formados por el tratamiento anterior (recirculacin de p (fangos, lecho de fangos, etc.), tratando de conseguir la mayor concentracin posible.

3) Una agitacin lenta y homognea del conjunto con el fin de3) Una agitacin lenta y homognea del conjunto, con el fin de aumentar las posibilidades de que las partculas coloidales descargadas elctricamente se encuentren con un flculo.

4) El empleo de ciertos productos llamados floculantes.20


FLOCULANTES

Los floculantes (o coadyuvantes de coagulacin) son productos que favorecen el proceso de formacin del flculo, actuando de puente o unin para captar mecnicamente las partculas en suspensin.

La diferencia bsica entre coagulante y floculante reside en que el coagulante anula las fuerzas repulsivas entre las partculas coloidales, iniciando la formacin de microflculos, en cambio el floculante engloba estos microflculos aumentando gsu tamao y densidad de modo que sedimenten ms fcil y rpidamente.

El empleo de los floculantes permite tratar mayores caudales de agua en una ETAP o EDAR, adems de mejorar la floculacin cuando sta es difcil por cambios de calidad, bajas temperaturas,

tetc.21


Los floculantes ms empleados son los siguientes:

1) Agentes adsorbentes Su misin consiste en dar mayor peso a los1) Agentes adsorbentes Su misin consiste en dar mayor peso a los flculos ligeros, caso de la adicin de arcillas bentonticas que, al aadirse a los flculos formados, mejoran su densidad (funcin ponderante) Para ello tambin se emplea el carbonato clcicoponderante). Para ello tambin se emplea el carbonato clcico pulverizado (caliza)

Otra funcin de estos agentes consiste en adsorber partculas l id l d fl l id t t dcoloidales, generando un preflculo, que rpidamente aumenta de

volumen, caso del carbn activo o de la tierra de diatomeas (funcin adsorbente).

2) Slice activa Se obtiene a partir del silicato sdico (Na2SiO3) en disolucin, a la cual se le neutraliza con cido una parte importante de la alcalinidad, en cuyo momento se dice que se ha activadoy

Presenta alta efectividad como auxiliar del tratamiento con sulfato de almina (alumbre)

Hasta el descubrimiento de los polielectrolitos, la slice activada era un floculante muy utilizado, pero hoy se utiliza con poca frecuencia. 22


Las ventajas en el uso de la slice activa son las siguientes:

A t d l l id d d l i- Aumento de la velocidad de coagulacin

- Empleo de dosis ms reducidas de coagulante

Mrgenes amplios de pH para una coagulacin ptima- Mrgenes amplios de pH para una coagulacin ptima

- Formacin de flculos densos (incluso con bajas temperaturas)

- En aguas turbias mejor floculacin y eliminacin del color- En aguas turbias mejor floculacin y eliminacin del color

En cuanto a las desventajas sealaremos:

- La preparacin de la slice activada requiere un minuciososLa preparacin de la slice activada requiere un minuciosos control para evitar que gelifique

- La sobredosis puede inhibir la floculacin

- Puede ser ineficaz para ciertos tipos de aguas

- Gran volumen de fangos generados

3) Polielectrolitos En la actualidad son los compuestos ms utilizados en la floculacin. 23


POLIELECTROLITOS

Son polmeros de alto peso molecular, naturales o sintticos. Contienen unidades de bajo peso molecular combinadas qumicamente para formar una molcula de tamao coloidal en las que cada una de ellas tiene una o ms cargas o grupos g gionizables.

Los polielectrolitos pueden actuar solos (coagulantes) o como coadyuvantes de la floculacin aumentando considerablemente el tamao de los flculos pero defloculacin, aumentando considerablemente el tamao de los flculos, pero de forma similar a lo que ocurre con la slice, existe una dosis ptima, que si es superada, produce una floculacin deficiente

P dPueden ser:

1) Naturales Almidones y sus derivados, polisacridos de compuestos celulsicos, ciertos compuestos protenicos,alginatos... , p p , g

Dan precipitados voluminosos que sedimentan rpidamente. Su empleo es, en ciertos casos, ventajoso pues pese a ser necesarios en dosis ms elevadas generalmente tienen un costo inferior al uso de losms elevadas, generalmente tienen un costo inferior al uso de los polielectrolitos sintticos. 24


2) Sintticos Pequeas molculas portadoras de carga elctrica, polimerizadas formando largas cadenas, con la ventaja de su facilidad de fabricacin en planta (adaptacin a requerimientos).

Los polielectrolitos sintticos se pueden clasificar en:

) N i i ( li il id ) D ti i i l ia) No inicos (poliacrilamidas) De tipo no inico en solucin acuosa a pH neutro.

b) Aninicos Polmeros de acrilamida-acrilato. )La dosis ptima aumenta linealmente con la dosificacin de sulfato de almina, pero no se modifica el margen de pHptimo para la coagulacin y por esto su accin esptimo para la coagulacin y por esto su accin es independiente de la acidez o alcalinidad.

c) CatinicosAmplio conjunto a base de poliacrilamidas catinicas y poliaminas.

Cuando se utilizan con coagulantes metlicos reducen la dosificacin de coagulante, atenan la interferencia sobre ladosificacin de coagulante, atenan la interferencia sobre la coagulacin de ciertas sustancias y tienen la capacidad de flocular organismos vivos, tales como algas y bacterias. 25


Medicin de la actividad floculante de la

poliacrilamida PAM Cytec Superfloc-A836

Evaluaremos la actividad floculante de dicha poliacrilamida en una suspensin de caoln.

Para ello, se preparan soluciones de la poliacrilamida de concentracin variable desde 1 ppm hasta 10 ppm, colocando una gota de cada solucin encima de una gota de la suspensin de caoln. Se agita suavemente y se observa la floculacin producida,

comparando el efecto de las diferentes concentraciones.

El lmite de ppm en el cual empieza la floculacin completa, se seala como Valor del Inicio de Actividad (VIA). En este caso el valor obtenido es de 6 ppm. 26


FACTORES QUE AFECTAN A LA FLOCULACIN

La floculacin est condicionada por una serie de factores que determinan su eficacia en el proceso de separacin de la fase slido/lquido.

Dichos factores son:Dichos factores son:

1) Dosis ptima de polmero Para una cierta concentracin de slidos, todo polmero aadido es adsorbido sobre los mismos.

El punto a partir del cual el polmero no es totalmente adsorbido corresponde a la dosis ptima, que ser la cantidad mxima de polmero que puede ser adsorbido sobre el slido para producir un p q p p psistema floculado, a condicin de que ningn enlace de superficie sea roto despus de la formacin de los flculos

A medida que se desarrolla la floculacin la formacin de flculosA medida que se desarrolla la floculacin, la formacin de flculos disminuye la superficie disponible, y el nmero de colisiones entre las partculas se hace inferior, de modo que una cierta cantidad de finos se escapa al fenmeno de floculacin para dar lugar a una ligera niebla enescapa al fenmeno de floculacin para dar lugar a una ligera niebla en suspensin en el lquido sobrenadante.

27


2) Agitacin Una adecuada agitacin es necesaria tanto en el momento de dosificacin del polmero como en el proceso de formacin y engorde del flculo.

La dispersin del polmero en el seno del agua exige una rpida agitacin para favorecer una floculacin homognea en todos losagitacin para favorecer una floculacin homognea en todos los puntos y crear un tamao de flculo igualmente homogneo. La agitacin rpida favorece adems, un mayor nmero de colisiones entre las partculas y las cadenas de polmeros asegurando laentre las partculas y las cadenas de polmeros asegurando la floculacin total de los cogulos.

Una vez iniciada la floculacin, conviene reducir la velocidad de agitacin para evitar efectos de cizalladura que produzcan la roturaagitacin para evitar efectos de cizalladura que produzcan la rotura mecnica de los flculos.

De cualquier modo, es necesario siempre un ptimo estado de agitacin para lograr que las partculas se acerquen lo suficiente para formar puentes de enlace y formar los agregados.

3) Peso molecular del polmero El peso molecular es una de las3) Peso molecular del polmero El peso molecular es una de las propiedades que caracterizan a un polmero y determinan la eficacia de la floculacin. 28


Cuando se utiliza un polmero de bajo peso molecular existe una tendencia por parte de cada molcula a ser adsorbida por una nica partcula. Con un polmero del mismo tipo pero de mayor peso molecular se produce un aumento en la relacin ptima polmero/slidos es decir, mayor nmero de molculas pueden ser adsorbidas y utilizadas por las partculas.

Con un aumento del peso molecular se optimiza la dosis de polmero y se incrementa la velocidad de decantacin.se incrementa la velocidad de decantacin.

3) Concentracin de slidos La estabilidad de los flculos crece con la densidad de los slidos, debido al aumento de la probabilidad de unin d l f t d l fl l tde los fragmentos de los flculos rotos.

No obstante, para suspensiones muy concentradas, la velocidad de sedimentacin es muy pequea por la corriente ascendente del fluido ydesalojado, generndose un equilibrio entre ambos fenmenos

4) Superficie de los slidos La dosis ptima de floculante es proporcional a la superficie especfica del slido; es decir al aumentarproporcional a la superficie especfica del slido; es decir, al aumentar de tamao o superficie de la partcula se reduce la dosis de floculante. 29


5) Efecto de la temperatura Existe la creencia general de que un aumento de temperatura mejora la floculacin. Esto no siempre es as, jya que si bien la velocidad de difusin del floculante y de colisin de partculas es mayor, la adsorcin es menor por ser exotrmica.

6) Efecto del pH El pH puede afectar a la cantidad y tipo de cargas6) Efecto del pH El pH puede afectar a la cantidad y tipo de cargas presentes en la superficie de los slidos as como la cantidad de carga libre que configura el polmero en disolucin.

A l i i l i i i l l d t i l dA su vez, la variacin en la ionizacin en el polmero determina el grado de creacin de puntos de enlace entre partculas y molculas lo cual puede anular la eficacia de un polmero en un rango de pH.

La efectividad de los polmeros vara en funcin del rango del pH:

a) Los polmeros aninicos, normalmente, son ms efectivos a pH entre 7 y 14pH entre 7 y 14.

b) Los no inicos son capaces de adsorber las partculas positivas y negativas, siendo, en general, muy eficaces a pH 6, si bien algunos tambin operan entre 6 y 10.

c) Finalmente los catinicos suele actuar entre pH 4 y 8 30


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