Práctica 2: Prueba de Coagulación

Práctica 2: Prueba de
Coagulación - Floculación
Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental
Equipo I-A
Otoño 2008
Realización de la práctica: 11 de agosto de 2008
Entrega del reporte: 25 de agosto de 2008
México D.F.
Alumnos:
Francisco José Guerra Millán
[email protected]
Adelwart Struck Garza
[email protected]
Santiago Andrés Villalobos Steta
[email protected]
Asesores:
Quim. Ma. Teresa Morán y Morán
[email protected]
Ing. Leticia Espinosa Marván
Universidad Iberoamericana
Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental, Otoño 2008
Índice
1. Carta de Presentación
4
2. Reporte Técnico
2.1. A.- Descripción del método experimental utilizado. . . . . . . . .
2.1.1. A. Determinación del coagulante óptimo. . . . . . . . . .
2.1.2. B. Determinación de la dosis óptima . . . . . . . . . . . .
2.1.3. C. Determinación del pH óptimo . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4. D. Determinación de la cantidad de cal necesaria para el
ajuste del pH óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. B.- Los datos referentes a la muestra utilizada, como son: fuente, fecha de muestreo, pH, temperatura, olor, color, presencia de
burbujas, grasa, turbidez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. C.- Reportar los datos experimentales como los pesos y volúmenes, y el cálculo de los sólidos totales, disueltos y suspendidos, en
mg/L, de la muestra original. Incluir ejemplos de cálculo. . . . .
2.4. D.- Reportar los volúmenes (y su cálculo) de las dosis de coagulante utilizadas en su experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. E.- Para cada etapa experimental presentar todos los resultados
experimentales en forma tabular como son: volumen y tipo de
coagulante utilizado, concentración del coagulante en la muestra
una vez dosificada, pH entrada, pH de salida, turbidez inicial,
turbidez final, volumen de sedimento generado, mL/30 mL y en
mL/L, el % de remoción observado, velocidad de sedimentación
(cualitativa), descripción de los flóculos formados y del sobrenadante para cada condición (cualitativa). Incluir en cada etapa, los
ejemplos de cálculo correspondientes, conclusiones sobre la mejor
opción y justificación de la selección. Incluir en cada etapa del
análisis el dato de la experimentación de la etapa anterior que
complete la información. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. F.- Incluir dentro del análisis del punto B experimental, las gráficas correspondientes como serı́an turbidez, volumen de sedimento, pH final vs. dosis del coagulante, incluyendo el resultado del
mejor coagulante de la parte A experimental. Hacer un análisis
y concluir respecto de cada una. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. G.- Señalar en estas gráficas, si se observan condiciones de reestabilización del coloide, y en que condiciones. Explicar cuando y
por qué, desde el punto de visto teórico, puede presentarse este
fenómeno, para que el cliente lo evite. . . . . . . . . . . . . . . .
2.8. H.- En el análisis del punto C Experimental incluir las gráficas
correspondientes a turbidez final y pH final vs. pH entrada. Analizar estas gráficas y sacar conclusiones. . . . . . . . . . . . . . .
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5
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6
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2.9. I.- Reportar los datos experimentales y los resultados de los sólidos totales y disueltos, y los sólidos suspendidos, ası́ como de la
turbidez, antes y después del mejor tratamiento. Y reportar el %
de eficiencia lograda con las mejores condiciones reportadas para
ambos parámetros, turbidez y sólidos suspendidos. . . . . . . . .
2.10. J.- Determinar de la información anterior obtenida experimentalmente y de los sólidos sedimentables generados, si se cumple
con lo estipulado por SEMARNAT como se señala en el resumen
del prelaboratorio. En caso de que exista desviación señalar de
qué magnitud es y sugerir cómo se podrı́a corregir. . . . . . . . .
2.11. K.- A partir de las mejores condiciones observadas calcular la
cantidad del coagulante (la sal) en kg/dı́a y la cantidad de CaO
ó NaOH sólida en kg/dı́a ó del volumen de ácido 0.1N en L/dia
que se requieren añadir para llegar al pH y las mejores condiciones, cuando el CLIENTE maneje gastos de suspensión de 2500
m3 /dı́a. Incluir los cálculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12. L.- Calcular cuál serı́a el volumen de sedimento generado al dı́a
que tendrı́a que manejar la industria, si manejan volúmenes de
descarga de 1250 m3 /dı́a al recibir el tratamiento bajo las mejores
condiciones observadas experimentalmente. . . . . . . . . . . . .
2.13. M.- Buscar en lo publicado y calcular los costos unitarios que
implicarı́a para el usuario el consumo de estos reactivos al dı́a.
(Incluir la referencia de los datos). . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.14. N.- Incluir un diagrama y describir el proceso y los equipos y
sus dimensiones, que se utilizarı́an industrialmente para llevar a
cabo el proceso de coagulación - floculación de esta suspensión.
Especificar qué controles se requieren y dónde deben colocarse en
dichos equipos para hacer una operación eficiente.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Carta de Presentación
México D.F., a 25 de agosto de 2008.
A quien corresponda:
Por medio de la presente nos permitimos comunicarle los resultados del estudio solicitado por su empresa para el análisis de floculación - coagulación de
su muestra. Los estudios fueron realizados el 11 de agosto con la muestra que
nos fue provista por Ud. y esperamos que los resultados sean de utilidad.
Los resultados obtenidos para su muestra se resumen en la Tabla 1.1 junto
con los lineamientos estipulados por la SEMARNAT.
Tabla 1.1: Resumen de Resultados y Estipulaciones SEMARNAT.
Parámetro
Sólidos suspendidos [mg/L]
Sólidos sedimentables [mL/L]
Turbidez [NTU]
Permitido
< 150
<1
10
Experimental
66.67
25
16
Cumple
Sı́
No
No
Exceso
ND
24
6
La metodologı́a seguida para dicho fin consistió primeramente en seleccionar el mejor coagulante. Posteriormente se determinó la dosis de coagulante que
permitiera una mayor turbidez y finalmente el pH óptimo, basado en la turbidez
final de la solución.
Es necesario mencionar que su muestra no cumple con todos los requisitos
establecidos por la SEMARNAT, no obstante, con un adecuado tratamiento se
podrı́a corregir esta situación.
A lo largo del reporte se muestra un análisis detallado de las pruebas y
resultados realizados. Cualquier duda estamos a sus órdenes.
Quedamos atentos,
Ing. Francisco Guerra
Ing. Adelwart Struck
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
Ing. Santiago Villalobos
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2.
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Reporte Técnico
2.1.
2.1.1.
A.- Descripción del método experimental utilizado.
A. Determinación del coagulante óptimo.
Primeramente se determinó el pH, sólidos totales y disueltos, la turbidez y
la temperatura de la muestra original. Después se hizo un ajuste del prelaboratorio para los cálculos del volumen necesario de coagulante para tener una
concentración de 10 mg/L del óxido del ión metálico en una solución de 30 mL
en lugar de 100 mL.
Una vez hechos estos cálculos se colocaron en cinco vasos de precipitados
30 mL de muestra original manteniendo la agitación constante con el uso de
agitadores magnéticos. Posteriormente se colocaron los vasos de precipitados en
el equipo para la prueba de jarras y se estableció la velocidad de mezclado a 30
rpm (el agitador gira de manera lenta para evitar que se rompan los flóculos).
Se añadió el volumen de coagulante calculado de cada uno de los coagulantes a
los diferentes vasos de precipitados y se dejaron en la prueba de jarras por 20
minutos.
Se hicieron anotaciones de las caracterı́sticas de cada vaso de precipitados
para poder hacer un análisis cualitativo de los diferentes coagulantes.
Una vez transcurridos los 20 minutos se detuvo la agitación y se dejaron
reposar las muestras durante 15 minutos para que se sedimentaran. Una vez
concluida la sedimentación, se midió la turbidez de cada muestra (tomando una
muestra de sobrenadante haciendo uso de una pipeta beral para evitar que se
resuspender el sedimentado y midiendo en el turbidı́metro), ası́ como el pH
(usando papel pH) y el volumen de sedimentos (colocando la solución en los
tubos para centrı́fuga graduados y midiendo el volumen de sedimento de cada
muestra).
A partir de estos resultados se escogió el mejor coagulante quı́mico.
2.1.2.
B. Determinación de la dosis óptima
Siguiendo el mismo procedimiento descrito en el punto A, se volvieron hacer
las mediciones sólo que esta vez se usó únicamente el coagulante óptimo seleccionado como el mejor anteriormente. En esta parte de la experimentación se
varió la dosis de coagulante excluyendo la que se utilizó en A (se prepararon 4
muestras nuevas y se guardó la muestra del mismo coagulante de la experimentación pasada).
De igual forma se llevó a cabo el proceso de agitación, mediciones y observaciones y se fueron registrando los resultados. Conociendo éstos se determinó cuál
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
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era la dosis óptima de coagulante.
2.1.3.
C. Determinación del pH óptimo
En esta experimentación se volvió a repetir el procedimiento descrito en A.
Esta vez las muestras que se utilizaron contenı́an el coagulante y dósis óptima, y
se varió el pH de cada una de las muestras. El pH se ajusta mediante la adición
de sosa o ácido sulfúrico buscando un intervalo de pH de 5 a 11. El pH, para
mantener consistencia con los demás cálculos y debido a que los potenciómetros
no sirven adecuadamente, se midió con papel pH.
De igual forma se llevó a cabo el proceso de agitación, mediciones y observaciones y se fueron registrando los resultados. Conociendo éstos se determinó cuál
era el pH óptimo de la dosis óptima del coagulante óptimo.
Concluida esta parte de la experimentación y sabiendo las condiciones óptimas de operación se determinaron los sólidos totales y disueltos de la muestra
óptima para analizar la reducción en los sólidos suspendidos que se logró.
Los cuatro crisoles en los cuales se colocaron la muestra original, la muestra
original filtrada, la muestra óptima y la muestra óptima filtrada se dejaron secar durante un dı́a a una temperatura de 105 ◦ C. Al dı́a siguiente se pesaron y
de esta forma se pudieron determinar los sólidos totales y suspendidos de cada
muestra.
2.1.4.
D. Determinación de la cantidad de cal necesaria para el ajuste del pH óptimo.
Para determinar la cantidad de cal necesaria para el ajuste del pH se tomó una
alı́cuota de 20 mL de la suspensión bien agitada y se colocó en un vaso de 50
mL. Posteriormente utilizando una pipeta se tituló usando sosa 0.2 N como titulante. Al mismo tiempo se monitoreó el pH con papel pH hasta llegar al pH
óptimo.
2.2.
B.- Los datos referentes a la muestra utilizada, como son: fuente, fecha de muestreo, pH, temperatura,
olor, color, presencia de burbujas, grasa, turbidez.
Descripción de la muestra:
Fecha de muestreo: 11 de Agosto de 2008.
Temperatura: 20 ◦ C
pH: 7.5
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
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Turbidez: 1294 NTU (Lectura 647 NTU, se diluyó una alı́cuota de 10ml
aforando a 20 ml)
Color: café - verdoso claro
Caracterı́sticas visuales: terroso, turbio
Olor: Ninguno
Presencia de burbujas: ninguna
Grasa: no existente
Sólidos Totales: 1.130 g/L
Sólidos Totales Disueltos: 0.220 g/L
Sólidos Suspendidos Totales: 0.910 g/L
2.3.
C.- Reportar los datos experimentales como los pesos
y volúmenes, y el cálculo de los sólidos totales, disueltos y suspendidos, en mg/L, de la muestra original.
Incluir ejemplos de cálculo.
Las Tablas 2.1 y 2.2 muestran los datos experimentales y resultados para la
determinación de los sólidos suspendidos.
Tabla 2.1: Sólidos iniciales antes del tratamiento.
Crisol
Totales (7)
Disueltos (8)
Volumen
Muestra
[mL]
20 mL
20 mL
Peso
Vacı́o
[g]
33.3303
33.6882
Peso
seco
[g]
33.3529
33.6926
Sólidos
totales
[mg/L]
1130
220
Sólidos
suspendidos
[mg/L]
910
Tabla 2.2: Sólidos finales después del mejor tratamiento
Crisol
Totales (9)
Disueltos (10)
Volumen
Muestra
[mL]
3 mL
2 mL
Peso
Vacı́o
[g]
31.023
30.6992
Peso
seco
[g]
31.0235
30.6994
Sólidos
totales
[mg/L]
166.6667
100.0000
Sólidos
suspendidos
[mg/L]
66.6667
A partir de estos pesos conocidos se prosigue a hacer el cálculo de los sólidos
totales, disueltos y suspendidos de la muestra original.
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
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Ejemplos de Cálculo para los crisoles # 7 y 8 (muestra original y
muestra original filtrada):
ST
=
ST
=
STD
=
STD
=
SS
=
SS
=
Ps − Pv
Vm
33.3529g − 33.3303g 1000mg
·
20mL
1g
Ps − Pv
Vm
33.6926g − 33.6882g 1000mg
·
20mL
1g
ST − STD
mg
mg
mg
− 220
= 910
1130
L
L
L
(2.1)
·
1000mL
mg
= 1130
1L
L
(2.2)
(2.3)
·
1000mL
mg
= 220
1L
L
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
De esta forma se obtuvieron los resultados de las Tablas 2.1 y 2.2.
2.4.
D.- Reportar los volúmenes (y su cálculo) de las dosis
de coagulante utilizadas en su experimento.
Los volúmenes de las dosis de coagulante usados para obtener una concentración de 10 mg/L del óxido de cada coagulante a partir de muestras de 30 mL
fueron:
Alumbre:
Al2 (SO4 )3 · 18H2 O ↔ Al2 O3
V = 30mL
0.01gox.
1L
1L
1gco.
1gmolox.
102g
1gmolco.
1gmolox.
666g
1gmolco.
(2.8)
= 1.96mL
(2.9)
Sulfato férrico:
V = 30mL
Fe2 (SO4 )3 · 2H2 O ↔ Fe2 O3
0.01gox.
1L
1L
1gco.
1gmolox.
160g
1gmolco.
1gmolox.
436g
1gmolco.
(2.10)
= 0.8175mL
(2.11)
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
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Cloruro férrico:
V = 30mL
Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental, Otoño 2008
FeCl3 · 6H2 O ↔ Fe2 O3
0.01gox.
1L
1L
1gco.
1gmolox.
160g
2gmolco.
1gmolox.
271g
1gmolco.
(2.12)
= 1.016mL
(2.13)
Sulfato ferroso:
V = 30mL
FeSO4 · 7H2 O ↔ FeO
0.01gox.
1L
1L
1gco.
1gmolox.
72g
1gmolco.
1gmolox.
278g
1gmolco.
(2.14)
= 1.1583mL
(2.15)
Cal:
Ca(OH)2 ↔ CaO
V = 30mL
0.01gox.
1L
1L
1gco.
1gmolox.
56g
1gmolco.
1gmolox.
74g
1gmolco.
(2.16)
= 0.396mL
La Tabla 2.3 resume los resultados obtenidos.
Tabla 2.3: Dosis de coagulante utilizadas en el experimento.
No. Muestra
Coagulante
1
2
3
4
5
Al2 (SO4 )3 · 18H2 O
Fe2 (SO4 )3 · 2H2 O
FeCl3 · 6H2 O
FeSO4 · 7H2 O
Ca(OH)2
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
Dosis
[mL]
1.96
0.82
1.00
1.16
0.40
9
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2.5.
Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental, Otoño 2008
E.- Para cada etapa experimental presentar todos los
resultados experimentales en forma tabular como son:
volumen y tipo de coagulante utilizado, concentración del coagulante en la muestra una vez dosificada,
pH entrada, pH de salida, turbidez inicial, turbidez
final, volumen de sedimento generado, mL/30 mL y
en mL/L, el % de remoción observado, velocidad de
sedimentación (cualitativa), descripción de los flóculos formados y del sobrenadante para cada condición
(cualitativa). Incluir en cada etapa, los ejemplos de
cálculo correspondientes, conclusiones sobre la mejor
opción y justificación de la selección. Incluir en cada
etapa del análisis el dato de la experimentación de la
etapa anterior que complete la información.
Para cada sección experimental se presentan los resultados y las observaciones correspondientes en las Tablas 2.4 - 2.9.
Para el cálculo del porcentaje de remoción se utilizó la siguiente ecuación:
Turbidez Inical − Turbidez Final
· 100
Turbidez Inicial
El volumen de sedimento por litro se obtiene como sigue:
%Remoción =
VSedimento =
VSedimento 30mL 1000mL
30mL
1L
(2.17)
(2.18)
Selección del Mejor Coagulante Los resultados y observaciones se muestran en las Tablas 2.4 y 2.5. El ejemplo de cálculo se muestra a continuación.
1294 − 17
· 100 = 98.69%
1294
(2.19)
mL
0.55 30mL
1000mL
mL
= 18.33
30mL
1L
L
(2.20)
%Remoción =
VSedimento =
Con base en la Tabla 2.4 es posible observar que el Alumbre fue el coagulante
que permitió un mayr porcentaje de remoción, basado en la turbidez de la muestra. Definitivamente y por un margen muy amplio, la Cal es el peor coagulante.
El sobrenadante de la muestra con alumbre es transparente, mientras que los
demás van de lechoso a turbio. La velocidad de sedimentación fue claramente
mucho más rápida en la muestra con alumbre.
De acuerdo al porcentaje de remoción se escogió el mejor coagulante. El
orden de los coagulantes de acuerdo a su porcentaje de remoción serı́a:
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
10
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Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental, Otoño 2008
1. Alumbre
2. Cloruro férrico
3. Sulfato ferroso
4. Sulfato férrico
5. Cal
El orden de la lista podrı́a ser un indicio de las ventajas de los cloruro sobre
los sulfatos.
Tabla 2.4: Resultados Selección del Mejor Coagulante.
No.
Coagulante
Dósis
C
pHi
pHf
1
2
3
4
5
Alumbre
Sulfato férrico
Cloruro férrico
Sulfato ferroso
Cal
[mL]
2
0.82
1.01
1.16
0.4
[g/L]
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
6
6
7
7
6.5
Turbidez
final
[NTU]
17
99
77
98
855
Volumen
sed.
[mL/30mL]
0.55
0.45
0.4
0.4
0.05
Tabla 2.5: Observaciones Selección del Mejor Coagulante.
No.
1
2
3
4
5
Observaciones
Transparente, sedimenta rápido al inicio. Estable.
Lechoso, flóculos en solución.
Amarillento. Sedimento circular.
Velocidad media (turbio).
No sedimenta (turbio).
Selección de la mejor dosis Los resultados y observaciones se muestran en
las Tablas 2.6 y 2.7. El ejemplo de cálculo se muestra a continuación.
1294 − 126
· 100 = 90.26%
1294
(2.21)
mL
0.3 30mL
1000mL
mL
= 10.00
30mL
1L
L
(2.22)
%Remoción =
VSedimento =
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
11
Volumen
sed.
[mL/L]
18.33
15.00
13.33
13.33
1.67
Remoción
[ %]
98.69
92.35
94.05
92.43
33.93
Universidad Iberoamericana
Cnueva =
Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental, Otoño 2008
0.01 Lg · 0.5mL
Coriginal · Dnueva
g
=
= 0.0026
Doriginal
1.96mL
L
(2.23)
Con base en la Tabla 2.6 es posible observar que una dosis de 2.5mL es la que
permite un mayor porcentaje de remoción. Esta dosis equivale a una concentración de 0.0128g/L de alumbre y permite una remoción del 98.76 %. Asimismo
cabe destacar que una concentración muy elevada no garantiza forzosamente una
buena remoción. Lo mismo se puede afirmar de una concentración muy pequeña.
De acuerdo al porcentaje de remoción se escogió la mejor dosis. El orden de
las dosis de alumbre de acuerdo a su porcentaje de remoción serı́a:
1. 2.5 mL
2. 2.0 mL
3. 3.0 mL
4. 1.0 mL
5. 0.5 mL
El orden de la lista indica claramente que existe una dosis óptima que no es
ni la menor ni la mayor.
Tabla 2.6: Resultados Selección de la Mejor Dósis.
No.
Coagulante
Dósis
C
pHi
pHf
2
3
4
5
1
Alumbre
Alumbre
Alumbre
Alumbre
Alumbre
[mL]
0.5
1
2.5
3
2
[g/L]
0.0026
0.0051
0.0128
0.0153
0.01
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7
7
6.5
6
6
Turbidez
final
[NTU]
126
54
16
23
17
Volumen
sed.
[mL/30mL]
0.3
0.55
0.75
0.65
0.55
Volumen
sed.
[mL/L]
10.00
18.33
25.00
21.67
18.33
Selección del mejor pH Los resultados y observaciones se muestran en las
Tablas 2.8 y 2.9. El ejemplo de cálculo se muestra a continuación.
1294 − 24.7
· 100 = 98.09%
1294
(2.24)
mL
0.7 30mL
1000mL
mL
= 23.33
30mL
1L
L
(2.25)
%Remoción =
VSedimento =
F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos
12
Remoción
[ %]
90.26
95.83
98.76
98.22
98.69
Universidad Iberoamericana
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Tabla 2.7: Observaciones Selección de la Mejor Dósis.
No.
2
3
4
5
1
Observaciones
Poco claro con flóculos en la solución. No separación
Medio claro
Muy claro y pocos flóculos en solución (grandes)
Muy claro, ligeramente más flóculos en solución
Transparente, sedimenta rápido al inicio. Estable
Con base en la Tabla 2.8 es posible observar que el pH original de la solución
es el que permite un mayor porcentaje de remoción. Si se observan los resultados obtenidos se podrı́a pensar que el menor pH permite mejores resultados. No
obstante, cabe recalcar que no fue posible realizar muestras con pH por debajo
del de la solución. Con base en los experimentos realizados, un pH de 7.5 permite una remoción del 98.76 %.
De acuerdo al porcentaje de remoción se escogió el mejor pH. El orden de
los valores de pH utilizando una dosis de alumbre de 2.5 mL, de acuerdo a su
porcentaje de remoción serı́a:
1. 7.5
2. 8.0
3. 9.0
4. 10.0
El orden de la lista indica que el mejor pH es uno cercano al neutral. No
obstante, no se contó con muestra suficiente para analizar pHs menores a 7.5,
por lo que serı́a necesario hacer estudios posteriores.
Tabla 2.8: Resultados Selección del mejor pH.
No.
Coagulante
Dósis
C
pHi
pHf
1
2
3
4
Alumbre
Alumbre
Alumbre
Alumbre
[mL]
2.5
2.5
2.5
2.5
[g/L]
0.128
0.128
0.128
0.128
8
9
10
7.5
7
8
9
6.5
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Turbidez
final
[NTU]
24.7
27.8
402
16
Volumen
sed.
[mL/30mL]
0.7
0.8
0.1
0.75
Volumen
sed.
[mL/L]
23.33
26.67
3.33
25.00
13
Remoción
[ %]
98.09
97.85
68.93
98.76
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Tabla 2.9: Observaciones Selección del mejor pH.
No.
1
2
3
4
Observaciones
Muy claro, flóculos escasos y muy finos
Muy claro, casi no flóculos
Muy turbio no se distinguen flóculos
Muy claro y pocos flóculos en solución (grandes)
Con base en los análisis anteriores se puede determinar que las condiciones
de mayor remoción, de acuerdo a las muestras realizadas se obtienen utilizando
una concentración de 0.128g/L de alumbre con el pH original de la muestra
(pH=7.5).
2.6.
F.- Incluir dentro del análisis del punto B experimental, las gráficas correspondientes como serı́an turbidez, volumen de sedimento, pH final vs. dosis del coagulante, incluyendo el resultado del mejor coagulante
de la parte A experimental. Hacer un análisis y concluir respecto de cada una.
Las Figuras 2.1 - 2.3 muestran las gráficas correspondientes al punto B experimental.
Figura 2.1: Turbidez vs. Dosis de alumbre.
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Figura 2.2: Volumen de sedimento vs. Dosis de alumbre.
Figura 2.3: pH final vs. Dosis de alumbre.
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En la Figura 2.1 es posible observar que el menor valor de turbidez se obtiene con una dosis de 2.5 mL. Esto es congruente con el resultado obtenido en la
sección 2.5, en donde se afirmó que el mejor resultado se obteı́a utilizando una
dosis de 2.5 mL. Asimismo se corrobora la afirmación realizada, respecto a la
existencia de una dosis óptima, diferente de cero o en un caso hipotético, infinita.
En la Figura 2.2 se observa que el mayor volumen de sedimento se obtiene
con la ya mencionada dosis de 2.5 mL. Esto nuevamente fortalece la elección
de dicha dosis, pues entre mayor sea el volumen de sedimento, menor será la
concentración de sólidos en el sobrenadante. En el caso de una dosis de 2 mL y 1
mL se obtienen resultados idénticos, fuera de la tendencia general de la gráfica.
Esto se podrı́a deber a errores de apreciación en la medición.
En la Figura 2.3 es posible afirmar respecto a una tendencia clara. Cabe
destacar que el pH final de la muestra utilizando una dosis de 2.5 mL de alumbre es de 6.5, no obstante, es intermedio al de las dosis tanto mayores como
menores. Es importante mencionar que la lectura de pH se realizó utilizando
papel indicador, lo que puede ser una fuente muy grande de error. La dosis de
alumbre afecta el pH final de la solución.
2.7.
G.- Señalar en estas gráficas, si se observan condiciones de reestabilización del coloide, y en que condiciones. Explicar cuando y por qué, desde el punto de
visto teórico, puede presentarse este fenómeno, para
que el cliente lo evite.
En las gráficas de las Figuras 2.1 y 2.2 se observa una reestabilización del
coloide, lo que impide que se sedimente adecuadamente. En la Figura 2.1 si bien
al aumentar la dosis de alumbre disminuye en un principio la turbidez, ésta
vuelve a aumentar con el aumento de la dosis. Asimismo, en la Figura 2.2 una
mayor dosis genera un mayor volumen de sedimento, no obstante si se continúa
aumentando esta dosis, el volumen disminuye. Esto se debe a que los flóculos se
reestabilizan y no pueden sedimentar.
El potencial zeta indica la magnitud de la carga de la partı́cula y permite
determinar la distancia en que pueden aproximarse las partı́culas coloidales entre sı́. Describe la intensidad del campo eléctrico estático de la capa doble en
el lı́mite entre el grano y el fluido (plano de corte). Para una solución coloidal
en agua natural a pH de entre 5 y 8, el potencial zeta se encuentra entre 14 y
30 mV. Si el potencial zeta disminuye a cero (punto isoeléctrico), los coloides
pueden interactuar a una distancia menor a la establecida por la barrera de
energı́a. Con esto es posible determinar si el coagulante permite la formación
adecuada de flóculos que precipiten.
Los factores que influirı́an en una reestabilización de los coloides una vez que
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se añadió el coagulante son:
Cantidad de partı́culas
Presencia de agentes peptizantes que desintegren los agregados coloidales
Mezclado (debe de ser intenso para garantizar un alto número de colisiones)
pH (puede provocar reestabilización, pues influye directamente en el valor
del potencial zeta)
Como se observa en la Figura 2.3 el pH final de las soluciones es diferente
dependiendo de la dosis de alumbre utilizada. Esta variación en el pH influirá de
forma directa en el potencial zeta y por ende en la formación adecuada de flóculos. De acuerdo a la Figura 2.3 el pH óptimo para tener un potencial zeta que
permita la más adecuada formación de flóculos es a 7.5. Para evitar esto, basta
(con base a los experimentos realizados) utilizar el pH natural de la solución,
sin adicionar ácidos o bases.
2.8.
H.- En el análisis del punto C Experimental incluir
las gráficas correspondientes a turbidez final y pH
final vs. pH entrada. Analizar estas gráficas y sacar
conclusiones.
Las Figuras 2.4 - 2.5 muestran las gráficas correspondientes al punto C experimental.
La Figura 2.4 muestra cómo una disminución en el pH inicial permite un
menor nivel de turbidez. No obstante, no es posible afirmar si 7.5 es relamente
el pH que permite la menor turbidez, pues es el pH natural de la solución y no
se tienen pruebas a un menor pH. Asimismo se observa que un pH demasiado
alto causa una reestabilización de los flóculos.
La Figura 2.5 muestra una relación directamente proporcional entre el pH
inicial y el final. Es decir, la misma dosis de alumbre disminuirá el pH de la
solución de forma constante, sin importar cuál sea el valor inicial.
2.9.
I.- Reportar los datos experimentales y los resultados
de los sólidos totales y disueltos, y los sólidos suspendidos, ası́ como de la turbidez, antes y después
del mejor tratamiento. Y reportar el % de eficiencia
lograda con las mejores condiciones reportadas para
ambos parámetros, turbidez y sólidos suspendidos.
La Tabla 2.10 muestra los datos experimentales para la muestra después del
mejor tratamiento. La Tabla 2.11 muestra los resultados de sólidos suspendi-
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Figura 2.4: Turbidez vs. pH inicial.
Figura 2.5: pH final vs. pH inicial.
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dos para la muestra después del mejor tratamiento. La Tabla 2.12 muestra los
resultados de la eficiencia basada en la turbidez y los sólidos suspendidos.
Tabla 2.10: Datos experimentales después del mejor tratamiento.
No.
Coagulante
Dósis
C
pHi
pHf
4
Alumbre
[mL]
2.5
[g/L]
0.128 g/L
7.5
6.5
Turbidez
inicial
[NTU]
1294
Turbidez
final
[NTU]
16
Volumen
sed.
[mL/L]
25.00
Tabla 2.11: Sólidos finales después del mejor tratamiento
Crisol
Totales (9)
Disueltos (10)
Volumen
Muestra
[mL]
3 mL
2 mL
Peso
Vacı́o
[g]
31.023
30.6992
Peso
seco
[g]
31.0235
30.6994
Sólidos
totales
[mg/L]
166.6667
100.0000
Sólidos
suspendidos
[mg/L]
66.6667
Tabla 2.12: Eficiencia.
Turbidez
Sólidos Suspendidos
2.10.
Eficiencia
[ %]
98.76
92.67
J.- Determinar de la información anterior obtenida
experimentalmente y de los sólidos sedimentables
generados, si se cumple con lo estipulado por SEMARNAT como se señala en el resumen del prelaboratorio. En caso de que exista desviación señalar
de qué magnitud es y sugerir cómo se podrı́a corregir.
La SEMARNAT exige ciertas medidas para los desechos de una determinada
compañı́a. Dichos parámetros se muestran en la Tabla 2.13, en donde también
se especifica si son cumplidos o no.
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Tabla 2.13: Estipulaciones SEMARNAT.
Parámetro
Sólidos suspendidos [mg/L]
Sólidos sedimentables [mL/L]
Turbidez [NTU]
2.11.
Permitido
< 150
<1
10
Experimental
66.67
25
16
Cumple
Sı́
No
No
Exceso
ND
24
6
K.- A partir de las mejores condiciones observadas
calcular la cantidad del coagulante (la sal) en kg/dı́a
y la cantidad de CaO ó NaOH sólida en kg/dı́a ó del
volumen de ácido 0.1N en L/dia que se requieren
añadir para llegar al pH y las mejores condiciones,
cuando el CLIENTE maneje gastos de suspensión
de 2500 m3 /dı́a. Incluir los cálculos.
El coagulante seleccionado fue el alumbre con una dosis de 2.5 mL por cada
30 mL de muestra. El pH óptimo fue el original de la solución, por lo que no es
necesario añadir ni ácido ni bases.
Los cálculos para la cantidad de coagulante necesario para un volumen de
25000 m3 /dı́a se muestran a continuación.
2500m3 106 mL 2.5mL 1mg 1kg
d
1m3 30mL mL 106 mg
kg
= 208.33
d
Se necesitan 208.33 kg de coagulante al dı́a.
Coagulante
2.12.
=
(2.26)
(2.27)
L.- Calcular cuál serı́a el volumen de sedimento generado al dı́a que tendrı́a que manejar la industria, si
manejan volúmenes de descarga de 1250 m3 /dı́a al
recibir el tratamiento bajo las mejores condiciones
observadas experimentalmente.
Los cálculos para el volumen de sedimento generado al dı́a para un volumen
de 1250m3 /dı́a se muestran a continuación.
Sedimento
=
=
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1250m3 25mL 1000L 1m3
d
L
1m3 106 mL
3
m
31.25
d
(2.28)
(2.29)
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EL volumen de sedimento generado es de 31.25m3 al dı́a.
2.13.
M.- Buscar en lo publicado y calcular los costos unitarios que implicarı́a para el usuario el consumo de
estos reactivos al dı́a. (Incluir la referencia de los
datos).
El costo del sulfato de aluminio fue cotizado en 57.50USD[3] por 50 lb.
Considerando el valor del dólar a 10.16MXP[2] por USD se obtiene el valor
sigueinte.
Costo
=
=
kg 57.50USD 10.16MXP 2.2046lb
d
50lb
USD
1kg
MXP
5366.40
d
208.33
(2.30)
(2.31)
El costo del coagulante es de 5366.40 MXP por dı́a.
2.14.
N.- Incluir un diagrama y describir el proceso y los
equipos y sus dimensiones, que se utilizarı́an industrialmente para llevar a cabo el proceso de coagulación - floculación de esta suspensión. Especificar
qué controles se requieren y dónde deben colocarse
en dichos equipos para hacer una operación eficiente.
Captación y Conducón del Agua
⇓
Coagulación - Floculación
⇓
Decantación
⇓
Filtrado
Captación y Conducción del Agua
La captación de agua para abastecimiento se realiza desde una fuente superficial (un rı́o, un lago, una represa, etcétera) o desde una fuente subterránea
(un pozo excavado, un pozo profundo, una galerı́a, etcétera). La conducción
dependerá de la necesidad o no de bombeo, según la ubicación de la fuente con
respecto a la población.
Entre los equipos usados para la captación y conducción del agua, tenemos
los siguientes:
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Compuertas
Rejillas
Válvulas
Bombas
Motores
Coagulación
La sustancia quı́mica coagulante debe ser agregada a la masa de agua en
turbulencia para que se produzca una mezcla instantánea y uniforme. Esta
mezcla anulará la carga eléctrica de las partı́culas. Este proceso se realiza en
las denominadas cámaras de mezcla rápida. Para la formación del flóculo, es
necesario que el agua pase luego a las cámaras de mezcla lenta (floculacón).
Cámaras de mezcla rápida. Es el proceso de mezcla violenta del agua
cruda con la solución de coagulante, aplicada de tal forma que estos se distribuyan de manera uniforme para formar el microflóculo y dar inicio al proceso
de floculación, mediante una agitación lenta gradualmente decreciente. Estos
instrumentos se clasifican, según el mecanismo usado, en los siguientes tipos:
Retromezcladores o Mezcladores Mecánicos: Son equipos mecánicos de agitación. Constan de un motor, cámara de mezcla, estructuras de entrada,
salida y drenaje del agua y un punto de aplicación del coagulante.
Mezcladores Hidráulicos: La mezcla rápida se produce cuando el flujo de
un lı́quido pasa de un régimen rápido a un régimen lento, acompañado de
agitación y grandes pérdidas de energı́a. La estructura más usada en las
plantas de tratamiento de agua para este fin es la de resalto hidráulico,
que puede obtenerse mediante una canaleta Parshall, rampa y vertederos.
Cámaras de mezcla lenta (floculadores). Tienen como finalidad dar al
agua una agitación lenta y decreciente para completar la formación de un flóculo
suficientemente grande y pesado como para que pueda ser removido fácilmente
en los procesos de sedimentación y filtración. Dependiendo del tipo de energı́a
utilizado para agitar el agua, los floculadores se clasifican en los siguientes tipos:
1. Floculadores hidráulicos:
floculadores de pantallas
de flujo horizontal
de flujo vertical
floculadores de tipo Cox y Alabama
floculadores de medios porosos
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2. Floculadores mecánicos:
de eje vertical
de eje horizontal
floculadores de manto de lodos
Floculadores hidráulicos. Pueden ser de flujo horizontal o vertical. La agitación lenta se imparte mediante un conveniente diseño hidráulico, después de
haber seleccionado en el laboratorio los parámetros que el agua requiere para
formar un buen flóculo. La unidad está compuesta por una gran cantidad de
canales o compartimentos, con interconexiones convenientemente ubicadas, a
través de las cuales el agua se confina el tiempo necesario, con una intensidad
de agitación gradualmente decreciente, para optimizar la formación del flóculo.
La diferencia entre la unidad horizontal y la vertical está en la dirección del
flujo. En ambas es muy importante conservar la especial distribución dada a
las pantallas en su construcción para que los parámetros de diseño se cumplan
y la eficiencia se mantenga.
Floculadores mecánicos. Están compuestos, básicamente, de un sistema de
paletas fijo a un eje horizontal o vertical. Cada eje puede estar accionado por un
motor con reductores de velocidad para variar las velocidades en cada cámara.
En este tipo de unidades la agitación lenta del agua se consigue mediante energı́a
mecánica. La unidad está constituida, idealmente, por tres a seis cámaras, cada
una con agitadores, para impartir movimiento al agua. Los agitadores pueden
ser de paletas o de turbina.
Decantación
Es el proceso mediante el cual las partı́culas o flóculos se depositan debido a
la acción de la gravedad, para permitir la clarificación del agua. Este proceso
se realiza en los decantadores o en los sedimentadores, que se clasifican según el
tipo de flujo:
1. decantadores estáticos:
de flujo horizontal
de flujo vertical
de flujo helicoidal
2. decantadores dinámicos:
de suspensión hidráulica
de suspensión mecánica
3. decantadores laminares.
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Decantadores estáticos. En este tipo de unidades se produce la sedimentación o decantación, normalmente en caı́da libre de las partı́culas. Entre
los decantadores estáticos están los desarenadores y sedimentadotes de flujo
horizontal (rectangulares, circulares y cuadrados) y los de flujo vertical.
Decantadores dinámicos. Se aplican al tratamiento de agua que requiere
alta concentración de partı́culas para incrementar las posibilidades de contacto.
Se clasifican de acuerdo con las caracterı́sticas de la zona de formación de lodos,
en unidades de tipo hidráulico o mecánico.
Decantadores laminares. Son poco profundos y están formados por una
serie de placas paralelas (planas u onduladas) o tubos (circulares, cuadrados u
octogonales), entre las cuales circula el agua con flujo laminar, lo cual produce
la separación del material particulado.
Filtración
La filtración, de manera general, consiste en hacer que el agua pasea través
de un medio poroso, para retener el material suspendido que no quedó en el
decantador. Su labor es especialmente importante en la remoción de microorganismos. Según su funcionamiento, los filtros pueden ser de los siguientes tipos:
filtro rápido (son los más usados)
filtro lento
Para controlar el proceso es necesario contar con el equipo siguiente:
Sistema de control general para el proceso
Válvula para el flujo de la solución a tratar
Válvula para controlar el flujo del coagulante
Sistemas de medición y cintrol de pH
Sistema de medición de turbidez
Sistema automatizado de decantado
Válvula para el control de la filtración
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References
[1] Biblioteca Virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental. Capı́tulo 9:
Equipos.
http://www.cepis.org.pe/bvsatr/fulltext/operacion/cap9.pdf, August 2008.
[2] Oanda. Oanda fxconverter.
http://www.oanda.com/convert/classic, 25th August 2008.
[3] The Chemistry Store.com Inc. Aluminium sulfate.
http://www.chemistrystore.com/, 25th August 2008.
[4] Wikipedia. Potencial zeta.
http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial zeta, August 2008.
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