Trabajo fin de máster final

Máster en Gestión Sostenible y Tecnologías del Agua
Trabajo fin de Máster:
Tratamiento del efluente
en una instalación de
reciclaje de plástico con
tinta
Autor: Fernando Sirvent Serrano
Tutor: Andrés Fullana Font
Curso 2012-2013
1
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Contenido
1. RESUMEN
1
2. INTRODUCCIÓN
3
2.1 Los residuos de film de plástico
3
2.2 Recuperación del plástico
7
2.3 Características del agua residual del proceso
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2.4 Alternativas de tratamiento
2.4.1 Coagulación-floculación
2.4.1.1 Coagulación - filtración
2.4.1.2 Coagulación - sedimentación
2.4.1.3 Cálculo de la velocidad de sedimentación
2.4.2 Ultrafiltración
2.4.2.1 Concepto de ultrafiltración
2.4.2.2 Materiales y configuraciones de membranas
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3. OBJETIVOS
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4. MATERIALES Y MÉTODOS
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4.1 Coagulación-floculación
4.1.1 Equipo de laboratorio jar-test para ensayos de coagulación y floculación.
4.1.2 Dosis óptima de coagulante.
4.1.3 Dosis óptima de floculante.
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4.2 Filtración
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4.3 Velocidad de sedimentación
25
4.4 Ultrafiltración
4.4.1 Membranas utilizadas
4.4.2 Bastidor
4.4.3 Bomba
4.4.4 Condiciones de trabajo
4.4.4 Procedimiento de limpieza
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28
28
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4.5 Técnicas analíticas para la caracterización del agua
4.5.1 pH
4.5.2 Conductividad
4.5.3 Determinación de sólidos
4.5.4 Tamaño de partícula
4.5.5 Materia orgánica
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Curso 2012-2013
4.5.5.1 Contenido en carbono
4.5.5.2 Demanda Química de Oxígeno
4.5.5.3 Demanda Biológica de Oxígeno
4.5.6 Surfactante
4.5.7 Determinación de las sales disueltas
4.5.7.1 Determinación de nitrato.
4.5.7.2 Determinación de cloruros.
4.5.7.3 Determinación de sulfatos.
4.5.8 Análisis con kits
5. RESULTADOS
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40
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5.1 Caracterización del efluente a tratar.
5.1.1 Características físicas y químicas
5.1.2 Distribución de tamaño de partícula
5.1.3 Contenido en materia orgánica
5.1.4 Sales disueltas y surfactante
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5.2 Determinación de la dosis óptima de coagulante
5.2.1 Agua reutilizada
5.2.2 Agua de vertido
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44
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5.3 Determinación de la dosis óptima de floculante
5.3.1 Agua reutilizada
5.3.2 Agua de vertido
5.3.3 Cálculo de la velocidad de sedimentación
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46
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5.4 Sedimentación
5.4.1 Características del agua reutilizada
5.4.1.1 Contenido en sólidos
5.4.1.2 Materia orgánica
5.4.1.3 Sales disueltas y surfactante
5.4.2 Características del agua de vertido
5.4.2.1 Contenido en sólidos
5.4.2.2 Materia orgánica
5.4.2.3 Sales disueltas y surfactante
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5.5 Filtración
5.5.1 Características físicas
5.5.2 Sólidos
5.5.3 Materia orgánica
5.5.4 Sales disueltas y surfactante
62
62
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63
5.6 Ultrafiltración
5.6.1 Características físicas
5.6.2 Sólidos
5.6.3 Materia orgánica
5.6.4 Sales disueltas y surfactante
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Curso 2012-2013
6. IMPLANTACIÓN INDUSTRIAL
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6.1 Planta de tratamiento
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6.2 Dimensionado de equipos
6.2.1 Sedimentación
6.1.2 Ultrafiltración
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70
71
6.3 Estudio económico
6.3.1 Consideraciones iniciales
6.3.1.1 Sedimentación
6.3.1.2 Ultrafiltración
6.3.2 Cálculo de los costes de operación
6.3.2.1 Materia prima
6.3.2.2 Mano de obra directa
6.2.2.3 Servicios generales
6.3.2.4 Suministros
6.3.2.5 Mantenimiento
6.3.2.6 Amortización
6.3.3 Costes anuales
6.3.4 Ahorro de surfactante
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7. CONCLUSIONES
77
7.1 Reutilización del agua tratada
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7.2 Vertido del agua tratada
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BIBLIOGRAFÍA
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Curso 2012-2013
1. RESUMEN
Debido a la creciente demanda de productos plásticos, la reutilización y el
reciclaje de envoltorios, envases y productos afines crece en importancia año
tras año. Por otra parte, existe una conciencia social cada vez más
desarrollada en torno a la importancia de optimizar los procesos, de manera
que se genere el menor volumen de residuo posible.
En lo que respecta al valor de los productos reciclados, cuanto más próxima
sea su calidad a la del producto original, mayor precio tendrán y más
interesante será producirlos.
Por estos motivos, en la actualidad se están desarrollando diversos proyectos y
estudios para mejorar la calidad de los diferentes procesos, con el fin de
obtener productos con propiedades físicas similares a las de la materia prima.
En este marco se sitúa el proyecto desarrollado en conjunto por la Universidad
de Alicante y la empresa Olax22 S.L, cuya actividad principal se centra en la
recuperación de los residuos de la industria flexográfica. Este tipo de industria
se dedica a la impresión, sobre una base polimérica flexible (film), de imágenes
complejas, con gran variedad de colores, conseguidos mediante la
superposición de capas de tinta.
El tratamiento que reciben los plásticos en el proceso de reciclado es la
molienda o triturado, seguida de un lavado con agua y secado. Por último, el
plástico se funde y se extruye para obtener granza. El problema que surge es
que al mezclarse residuos procedentes de distintos orígenes, la calidad de la
granza obtenida es muy baja, siendo sólo apta para su uso en la fabricación de
bolsas de basura o coberturas plásticas. La innovación estudiada por los
investigadores de Olax22 radica en el diseño de una disolución, introducida en
la etapa de lavado, que elimina la tinta impresa en el plástico sin la utilización
de disolventes orgánicos, y evita procesos como la desgasificación.
El inconveniente surge cuando para tratar un residuo (el plástico tintado) se
genera uno nuevo, ya que los componentes de la tinta, además de los de la
disolución de limpieza, pasan al agua del tratamiento. Es preciso un tratamiento
del agua, que debe conseguir que el agua utilizada entre en un ciclo de “usoreuso”, en el que se aproveche al máximo.
Los contaminantes se encuentran en el agua en forma dispersa, por lo que lo
ideal sería que se eliminaran por completo mediante procedimientos sencillos,
como la filtración o la sedimentación. Sin embargo, como se demuestra en el
presente trabajo, muchos son tan pequeños (están disueltos) que atraviesan el
poro o no forman agregados lo suficientemente voluminosos como para
sedimentar. Estos contaminantes se irían acumulando en el agua reutilizada
hasta un punto en el que interferirían en el proceso de destintando (deinking)
del plástico. De esta forma, el estudio se centra en conseguir la mayor
reducción posible de las partículas. El tratamiento elegido en esta investigación
es la sedimentación, ya que elimina la mayor parte de los sólidos “molestos”
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Curso 2012-2013
para el proceso de deinking (50% de los sólidos totales, llegando al 40% de los
sólidos disueltos) y deja una cantidad sustancial (el 40% de los presentes en el
agua residual) de los compuestos de la disolución, lo que supone un ahorro en
el consumo de los mismos. Sin embargo, la eliminación de materia orgánica es
muy pobre, tan sólo el 15% de la inicial.
La filtración es ineficaz en el tratamiento, ya que los sólidos se descomponen
bajo presión, haciendo que el tamaño de las partículas sea inferior al tamaño
de los poros de los filtros utilizados en este tipo de operación (0,45 µm). La
eliminación de sólidos cae hasta el 21% de los sólidos totales, valor muy por
debajo del obtenido en la sedimentación. Asimismo, tan sólo el 19% del
surfactante es recuperable, mucho menos que mediante la sedimentación.
A la hora de verter el agua a la red de saneamiento, el principal problema que
se presenta a la hora de cumplir los límites establecidos: la alta cantidad de
materia orgánica en el agua de proceso (la mayor parte correspondiente a
colorantes y pigmentos de pequeño tamaño) y la presencia de surfactantes (
que forman parte de la disolución de limpieza) hacen que sea inviable su
evacuación, haciendo necesario un tratamiento más avanzado.
La alta concentración de surfactantes hace inviable la utilización de procesos
biológicos de tratamiento, ya que los surfactantes son muy poco
biodegradables y además pueden ser tóxicos para los microorganismos.
Debido a esto, hay que utilizar alternativas que eliminen la materia orgánica y a
la vez los detergentes. Distintas opciones son la oxidación química, procesos
electroquímicos o la utilización de membranas.
En este trabajo se estudia la eficacia de los procesos de membrana, en
concreto la ultrafiltración, ya que los otros métodos son más complejos y su
implantación a nivel industrial sería más dificultoso. La ultrafiltración demuestra
ser muy eficaz en la eliminación de la materia orgánica disuelta (94% de la
DQO), así como en la eliminación de los surfactantes, alcanzando el 99,9% de
eliminación del surfactante presente en la corriente de purga del proceso de
deinking. El líquido resultante de la ultrafiltración (permeado), cumpliría con la
legislación en todos los aspectos estudiados (sólidos, sales, surfactante)
excepto en la materia orgánica. Sin embargo, este permeado sí sería posible
llevarlo a un proceso biológico, en el que se redujera la carga orgánica, ya que
se eliminan los problemas creados por los surfactantes.
La implantación industrial de estos tratamientos, para una producción diaria de
6000 kg de plástico reciclado supone el uso de un caudal circulante de 1,5 m3/h
de agua. Sin la reutilización, se consumirían 36m3 diarios, mientras que
implantando el tratamiento propuesto el consumo sería de 12 m3 diarios,
recuperables en otros procesos en el resto de la planta (secado del plástico,
por ejemplo). Esta implantación supondría un coste de 40600 €, con unos
costes de operación de unos 30000 €/año. Sin embargo, estos costes serían
asumibles por una empresa debido al ahorro en los compuestos de la
disolución de limpieza, ya que su reutilización supondría unos 40000 €/año de
ahorro.
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2. INTRODUCCIÓN
2.1 Los residuos de film de plástico
Hoy en día, la minimización o eliminación de los residuos generados es uno de
los puntos más importantes en cualquier proceso productivo. La reutilización o
el reciclado de materiales usados es también un punto muy importante en la
sociedad actual, ya que además de beneficios para el medio ambiente lleva
asociado una reducción en los costes de adquisición de materia prima.
En 2011, la producción total de plástico en el mundo fue de 280 millones de
toneladas y en Europa de 58 millones de toneladas, tal y como muestra la
Figura 2. 1.
Figura 2. 1 Evolución de la producción de plásticos (PlasticsEurope, 2012)
La cantidad de residuos plásticos post-consumo en Europa fue de 25,1
millones de toneladas, de las cuales 10,3 millones se depositaron en
vertederos (PlasticsEurope, 2012), como muestra la Figura 2. 2.
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Figura 2. 2 Reciclaje y recuperación de residuos de plástico en Europa en 2006-2011
En la mayoría de procesos productivos en los que se imprime en film de
plástico, parte del material es desechado por no cumplir con las
especificaciones finales requeridas o simplemente por proceder de los ajustes
iniciales para la puesta en marcha de la maquinaria. Buena parte de estos
residuos plásticos impresos no son valorizables por su alto contenido en tinta y
por tanto ni siquiera pueden ser utilizados para obtener plástico reciclado. El
alto contenido en tinta disminuye notablemente la viscosidad del plástico y esto
es un problema a la hora de reutilizarlos en un proceso de extrusión del
material (Universidad de Alicante, 2013).
La industria europea de fabricación de embalajes produce al año unos 5
millones de toneladas de film de plástico impresos (PlasticsEurope, 2012). Para
que una imagen quede correctamente impresa en el soporte, la maquinaria
debe imprimir una considerable cantidad de metros de film que no tiene un
acabado perfecto. Este film que no queda bien se conoce como “merma”, se
desecha y es el residuo que se produce. Si se tiene en cuenta la producción
mundial, y que por cada tonelada de film impreso se producen 50 kilogramos
(aproximadamente) de mermas, se tienen 250000 toneladas de residuo de film
de plástico (que no se llega a utilizar) al año.
Gestión de los residuos plásticos
La ley que regula la gestión de los residuos plásticos en España es la Ley
22/11, de 30 de Julio, de Residuos. La jerarquía establecida en estas leyes, en
cuanto a la gestión de residuos, es la siguiente:
1. Reducción en origen: consiste en reducir la cantidad de productos que
se convierten en residuos, por ejemplo reduciendo el peso del envase.
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Es la acción más deseada ya que es la más eficaz en la reducción de
residuos.
2. Reutilización: se trata de separar los residuos plásticos del resto de las
basuras para poder utilizarlos de nuevo, con la misma función que
tenían antes.
3. Reciclaje: se separan los residuos para someterlos a un tratamiento de
transformación y fabricar productos nuevos.
4. Valorización energética: es una forma de aprovechar la energía que aún
queda dentro de un residuo. Un ejemplo para los plásticos sería la
incineración con recuperación de energía, ya que los plásticos poseen
un elevado poder calorífico.
5. Vertido: es la última alternativa dentro de la gestión de los plásticos y por
lo tanto la que se debería realizar en último lugar, sin embargo en
España, hasta hace relativamente poco tiempo, ha sido la más utilizada.
El vertido de los materiales plásticos es muy costoso ya que ocupan
mucho volumen y en determinados vertederos se cobra en función de
éste en vez de en función del peso. Así mismo, al ocupar mucho sitio
provocan que se tengan que construir nuevos vertederos.
Calidad del plástico reciclado
Las empresas que compran plástico recuperado para reciclarlo pueden hacerlo
poniéndose de acuerdo con la empresa que gestiona la recuperación de los
envases o bien comprándolos a empresas o industrias en las que se generan
gran cantidad de los mismos.
Los precios de estos materiales varían en función de la forma en que se
venden, bien en retales, triturados o en granza y también dependen del lugar
en el que se generan, ya sean de postconsumo o de producción.
Alguna de las propiedades de los materiales plásticos que pueden hacer variar
su precio son las siguientes:
•
Transparencia y color: si lo que se compra es plástico de colores sólo se
podrán reciclar para obtener productos plásticos de colores oscuros
(grises, pardos...) y por tanto se limita la utilidad de los mismos. Debido
a este inconveniente el plástico de colores se vende más barato que el
natural o blanco.
•
Limpieza: cuanto más limpio esté el plástico más valor adquirirá en el
mercado. Si los materiales vienen impresos se reduce su precio ya que
hay que eliminar las tintas o simplemente utilizarlos para hacer piezas de
color oscuro.
•
Presentación: este término se refiere a la forma en que se va a vender el
plástico recuperado. Normalmente cuanto más pequeños son los trozos
mayor es el precio que adquieren. Los más caros son en forma de
granza, después triturados y por último como retales.
5
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•
Fluidez y procesabilidad: estas características son importantes para el
procesado de las piezas. Están relacionadas con la estructura interna
(molecular) del plástico y con los agentes químicos (aditivos) que se les
añaden para imprimirles determinadas propiedades. Obviamente, cuanto
más fluidos y fáciles de procesar sean mayor precio se pagará por ellos.
•
Resistencia: los recicladores tienen en cuenta la resistencia de los
materiales a diferentes exposiciones, por ejemplo a la degradación
térmica durante el procesado de piezas o, una vez que ya se han
fabricado, la resistencia a los agentes externos(humedad, luz solar, etc..)
•
Clasificación: si los materiales plásticos recuperados han sido separados
por colores o por rígidos y flexibles, o por botellas y films, etc, alcanzan
mayor valor que si van mezclados ya que ahorran tiempo y gastos a las
empresas recicladoras.
En la actualidad, este residuo plástico es llevado a plantas de recuperación de
materiales usados, en los que se utiliza para producir nueva granza. Sin
embargo, debido a la tinta que lleva impresa el plástico, se obtiene una materia
prima con color negro, sólo apta para un limitado grupo de usos, como puede
ser la fabricación de bolsas de basura o recubrimientos, con poco valor de
mercado.
La subida constante del precio del petróleo supone un alza correlativa de los
costes de la granza virgen, por lo que, a las consideraciones de tipo
medioambiental, se unen las de naturaleza económica, haciendo que este tipo
de iniciativas de negocio resulten cada día más interesantes, siendo los
mayores compradores de materias plásticas secundarias las propias empresas
de los plásticos, ya que normalmente pueden fabricar sus productos mezclando
materias primas vírgenes y secundarias.
Por estos motivos, la empresa Olax22 S.L. ha realizado el desarrollo industrial
de una patente propiedad de la Universidad de Alicante. Mediante este
proceso es posible eliminar la tinta impresa (deinking) de los films plásticos
usados en embalajes flexibles (Olax22, 2011). De este modo se consigue
obtener un film plástico libre de tinta que puede ser convertido fácilmente en
nueva granza, como se puede ver en la Figura 2. 3 .
Figura 2. 3. Plástico original, reciclado y granza.
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Curso 2012-2013
El proceso desarrollado por Olax22 es totalmente novedoso y respetuoso con
el medio ambiente, puesto que no utiliza ningún tipo de disolvente orgánico
para llevar a cabo la eliminación de la tinta.
Las ventajas más importantes de la eliminación de tinta son, por un lado, el
aumento del valor del plástico tratado, consiguiéndose igualar la calidad de la
nueva granza a la del plástico virgen, y por otro lado, el precio de venta del
plástico reciclado con respecto al plástico virgen.
En la actualidad Olax22 dispone de una planta piloto en la que se han realizado
las pruebas de eliminación de tinta. La tecnología ha sido probada con éxito en
diferentes soportes de material plástico impreso, tales como polietileno (PE);
polipropileno (PP), Polietilentereftarato (PET) y poliamida (PA), siendo factible
el proceso tanto con tintas basadas en disolventes como con tintas en base
acuosa.
2.2 Recuperación del plástico
Existen tres opciones principales para el reciclado de plásticos: reciclado
mecánico, reciclado químico y reutilización energética (Goodship, 2007). El
reciclado mecánico es el más extendido, debido a que es relativamente sencillo
y económico. Sin embargo, las propiedades de los polímeros reciclados
mecánicamente no son las mismas que las del plástico virgen, a causa de la
degradación por el calor o la fricción (La Mantia, 1996) (Jin et al., 2012). El
proceso consta de 4 etapas básicas: triturado, lavado, secado y granceado.
El triturado consiste en la disminución del tamaño de los residuos mediante
métodos mecánicos. El secado del plástico se hace para eliminar la humedad
procedente de la etapa de lavado. El graneado consiste en fundir los trozos de
plástico limpio y seco y darles forma de granza para su posterior reinserción en
los procesos productivos.
Actualmente, en el reciclaje la etapa de lavado consiste sólo en la eliminación
de la suciedad, pero no de la tinta impresa. La idea desarrollada por Olax22
gira en torno al uso de una disolución, que actúa sobre la superficie del
material, arrastrando los pigmentos y dejando el plástico exento de tinta
(Songsiri et al., 2002). Otra ventaja de este proceso es que no utiliza
disolventes para eliminar la tinta, por lo que no genera residuos peligrosos ni
requiere una gran inversión en equipos, ya que al no usar productos volátiles,
no genera atmósferas explosivas y no se tiene que cumplir la normativa ATEX
(Gecol et al., 2002).
Principio de actuación de una disolución surfactante.
El uso de surfactantes para la eliminación de la tinta (proceso conocido como
deinking) de una superficie es un ejemplo de proceso de separación basado en
surfactantes (Scamehorn & Harwell, 2000). El deinking es básicamente un
proceso de lavado (Songsiri et al., 2002). La adhesión de la tinta al plástico y
de la suciedad a la ropa dependen ambas de fuerzas de van der Waals,
fuerzas electrostáticas y enlaces químicos. De forma similar al lavado, el
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deinking ocurre en dos etapas: 1) separación de la tinta del soporte y 2)
dispersión de la tinta en un baño por acción mecánica (Rosen, 1989).
El efecto de la tensión superficial, la adsorción del surfactante, la dispersión y la
solubilización de los pigmentos son importantes en el proceso de eliminación
de la tinta (Porter, 1994). La eliminación de la tinta de la superficie del polímero
mediante disoluciones acuosas de surfactante se combina con la absorción del
surfactante en la superficie del plástico y de la propia tinta, resultando en un
descenso de la tensión superficial entre el plástico y el agua y entre la tinta y el
agua. Si la reducción es lo suficientemente elevada para que la suma de
ambas tensiones sea igual o menor que la tensión polímero-tinta, es
termodinámicamente favorable que la tinta se desprenda de la superficie del
polímero (Rosen, 1989) (Chotipong et al., 2006).
Si se fricciona el polímero con otra superficie sólida (otros trozos de polímero o
de abrasivo) las fuerzas tangentes causadas por agitación ayudan a que la tinta
se separe del plástico y se mantenga dispersa en la disolución (Gecol et al.,
2002).
2.3 Características del agua residual del proceso
Durante el proceso se genera una corriente acuosa que transporta la tinta
(pigmento, colorante y barniz) así como el exceso de reactivos de la disolución.
El objetivo es que la corriente de salida sea tratada para su reintroducción en el
proceso, de forma que se aproveche el agua al máximo posible.
Asimismo, se realizarán purgas periódicas de agua, para lo que se verterán a la
red de saneamiento. Por este motivo, se debe realizar una adecuación a la
legislación vigente (EPSAR).
Contaminantes presentes en el agua a tratar
Resina
Son polímeros generalmente sintéticos cuya función es dispersar el pigmento y
adherirse al sustrato, son el vehículo o matriz que forma la impresión. Estas
resinas están disueltas o emulsionadas en diluyentes que se evaporan al
secarse, dejando solo a las resinas, pigmentos y compuestos en la impresión
final. Las resinas utilizadas en las tintas de flexografía están basadas
principalmente en nitrocelulosa y poliuretano.
Pigmentos
Son la materia responsable de impartir color, totalmente insoluble en agua y
disolventes orgánicos. Se dispersan en las soluciones de resina y apenas se
ven afectados física o químicamente por el sustrato o soporte sobre el que
están depositados. Su color es fruto de la absorción y/o difusión selectiva de la
luz.
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Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Los pigmentos pueden ser orgánicos o inorgánicos, siendo los orgánicos
azoicos los más ampliamente utilizados.
En una tinta de impresión, los pigmentos se sitúan en la superficie según el
modelo CMYK, que representa los tres colores básicos: cian (C), magenta (M),
amarillo (Y), y el negro (K). A ellos se les suma el pigmento blanco, presente
en todas las formulaciones para dar opacidad. Los pigmentos se sitúan sobre el
soporte tal y como se muestra en la Figura 2. 4.
Figura 2. 4 Ejemplo de impresión CMYK (McConell, 2012)
Los compuestos anteriormente citados son orgánicos, a excepción del
pigmento blanco, que es dióxido de titanio (TiO2). La molécula de cada uno se
muestra en la Figura 2. 5.
a)
b)
c)
Figura 2. 5 fórmula molecular de los pigmentos: a) amarillo, b) magenta, c) cian.
Aditivos
Aquí se integran multitud de productos químicos (plastificantes, ceras,
tensioactivos, antiespumantes, antimicrobianos, promotores de la adherencia,
antioxidantes y catalizadores) que se introducen en pequeñas cantidades para
potenciar una propiedad específica.
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Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Los plastificantes, antioxidantes y catalizadores son aditivos habituales de
sistemas en los que intervienen materiales poliméricos.
Las ceras son principalmente polietilénicas y dispersiones céreas acuosas
poliméricas. Desempeñan su función sobre la tinta, la película impresa y el
proceso de impresión: reducen la pegajosidad de determinadas tintas,
disminuyen la resistencia al deslizamiento de las películas, mejoran la
resistencia al frote, previenen el bloqueo entre películas contiguas y evitan el
mateado. Participan en tintas acuosas y en base disolvente
Las tintas en base agua constituyen un magnífico sustrato para el desarrollo de
hongos, levaduras y bacterias. Suelen requerir la utilización de un agente
antimicrobiano que actúe como agente conservador de la tinta.
Los tensioactivos mejoran el poder de mojado de los líquidos, por lo que se
extiende más fácilmente el líquido sobre el medio y se obtiene mayor poder de
penetración en los poros del soporte aplicado. Son moléculas anfóteras,
constituidas por una región polar y otra polimérica apolar. La elección del
tensioactivo depende de la polaridad del medio solvente. A medida que la
polaridad de éste aumenta, también debe aumentar la polaridad de la cadena
polimérica para alcanzar una buena estabilización estérica.
Surfactantes
Un surfactante es una sustancia que se utiliza para reducir la tensión superficial
entre dos superficies. Los surfactantes tienen dos regiones en su estructura
química, una hidrofílica y otra hidrofóbica (generalmente una cadena de
hidrocarburo de 10-20 carbonos) (Adak et al., 2005).
La parte hidrofílica, puede o no ionizarse, dependiendo del tipo de surfacante.
A baja concentración, las moléculas existen en forma de monómero, pero a
concentraciones elevadas se agrupan en una pseudofase llamada micela.
Existen tres tipos: aniónicos (un 50% aproximadamente), catiónicos (10%) y
no-iónicos (un 40%), pero todos son moléculas de origen orgánico.
Los surfactantes son dañinos para los seres humanos, peces y vegetales.
Generan espumas en los efluentes de las plantas de tratamiento y reducen la
calidad del agua.
En resumen, el agua a tratar tendrá mucho color, alta demanda bioquímica de
oxígeno, alta demanda química de oxígeno (o Carbono Orgánico Total), mucha
turbidez y presencia de reactivos químicos (surfactantes) (Verma et al., 2012).
Los diferentes tipos de tintas tienen muy baja biodegradabilidad, debido a su
alto peso molecular y su estructura compleja (Gao et al., 2007) (Riera-Torres et
al., 2010). Además, la descarga directa de estos efluentes en las redes de
alcantarillado produce alteraciones en los procesos de tratamiento biológico.
Estos efluentes producen altas concentraciones de sales inorgánicas, ácidos y
bases en los reactores biológicos, junto a un aumento de los costes de
tratamiento.
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Curso 2012-2013
2.4 Alternativas de tratamiento
Existen numerosas técnicas para eliminar la tinta presente en el efluente, tal y
como se muestra en la Tabla 2. 1 (Verma et al. 2012).
Tabla 2. 1. Técnicas de tratamiento de agua contaminada con tinta.
Método
Descripción
Ventajas
Desventajas
Referencias
Oxidación de
Fenton
Oxidación
mediante H2O2Fe(III)
Eliminación adecuada
de tintas solubles e
insolubles
Generación de
lodo. Elevado
coste energético.
(Xiang-Juan Ma,
Hui-Long Xia,
2009), (Meriç et
al., 2004)
Procesos
biológicos
Tratamiento
basado en la
degradación
microbiológica
Medioambientalmente
adecuada
Ozonización
Oxidación
usando ozono
Aplicación en estado
gaseoso, no se
incrementa el volumen
Filtración con
membranas
Separación física
Elimina un amplio
espectro de
contaminantes
Electrocoagulación
Tratamiento
basado en
corriente
eléctrica
Buena eliminación de
tinta
Elevado coste,
pocos electrodos
aplicables
(Merzouk et al.,
2010)
CoagulaciónFloculación
Adición de
reactivos
químicos
Económicamente
asequible, buena
eliminación de color
Producción de
lodo
(Aboulhassan et
al., 2006)
Proceso lento,
necesidad de
nutrientes
adecuados,
importante
control de la Tª
Elevado coste,
tiempo de vida
muy corto,
Baja eliminación
de DQO
Producción de
un lodo
concentrado,
puede tener un
coste elevado.
(Sandhya et al.,
2008)
(Tabrizi et al.,
2011)
(Ersu et al.,
2004)
El coste de operación y el tiempo requerido son los principales criterios para la
selección del método a aplicar. Puede observarse en la tabla 2.1 que cada
método tiene sus ventajas e inconvenientes. Por ejemplo la ozonización
produce una buena eliminación de color pero muy baja eliminación de DQO. La
eliminación de DQO y color es buena usando la reacción de Fenton, pero es un
tratamiento largo y se produce un lodo contaminado con hierro. El tratamiento
biológico con fangos activados produce una reducción muy alta de DQO, pero
no elimina por completo el color y además da frecuentes problemas de
funcionamiento (Bes-Piá et al., 2002).
La coagulación puede ser directamente aplicada sobre el agua residual para
eliminar tanto los compuestos orgánicos como los sólidos suspendidos.
Además, otra ventaja importante es que se evita la descomposición parcial de
11
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
las tintas en compuestos aromáticos potencialmente más dañinos. Aun así, el
proceso no es perfecto, ya que pueden obtenerse flóculos pequeños o flóculos
frágiles, que se rompan en los procesos de eliminación (Golob, 2005).
Los métodos elegidos para el tratamiento han sido la coagulación-floculación,
por su sencillez y viabilidad económica y la ultrafiltración, ya que la empresa
Olax22 dispone de membranas y está especializada en su uso en otras líneas
de tratamiento.
2.4.1 Coagulación-floculación
Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material
suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo, o sólidos dispersados
que no sedimentan con facilidad. Una parte considerable de estos sólidos que
no sedimentan pueden ser coloides. En los coloides, cada partícula se
encuentra estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su
superficie, haciendo que se repelan dos partículas vecinas como se repelen
dos polos magnéticos. Puesto que esto impide el choque de las partículas y
que formen así masas mayores, llamadas flóculos, las partículas no
sedimentan. La coagulación-floculación en el tratamiento de agua supone la
adición de compuestos químicos para alterar el estado físico de los sólidos
disueltos y suspendidos, para facilitar su posterior eliminación (Verma et al.,
2012).
Los términos coagulación y floculación se utilizan ambos indistintamente en
colación con la formación de agregados. Sin embargo, conviene señalar las
diferencias conceptuales entre estas dos operaciones. La confusión proviene
del hecho de que frecuentemente ambas operaciones se producen de manera
simultánea. Para aclarar ideas se define:
Coagulación: Desestabilización de un coloide producida por la eliminación de
las dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, con la
formación de núcleos microscópicos.
Los coagulantes pueden ser tanto orgánicos, como polielectrolitos, como
inorgánicos, como la alúmina. Pueden usarse solos o en conjunción con un
floculante, para reducir la cantidad de éste que hace falta (Joo et al., 2007).
Los coagulantes inorgánicos, especialmente sales de hierro y aluminio (Kim et
al., 2004), han sido los más utilizados en la clarificación de aguas y eliminación
de DQO de aguas residuales. Forman especies hidratadas complejas cargadas
positivamente. Sin embargo tienen el inconveniente de ser muy sensibles a un
cambio de pH. Si éste no está dentro del intervalo adecuado la clarificación es
pobre y pueden solubilizar al Fe o Al y generar problemas.
Sulfato de alúmina: Es un coagulante efectivo en intervalos de pH de 6 a 8.
Produce un flóculo pequeño y esponjoso por lo que no se usa en precipitación
previa de aguas residuales debido a la alta carga contaminante del agua. Sin
embargo su uso está generalizado en el tratamiento de agua potable y en la
reducción de coloides orgánicos y fósforo.
12
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Sulfato férrico: Funciona de forma estable en un intervalo de pH de 4 a 11, uno
de los más amplios conocidos. Produce flóculos grandes y densos que
decantan rápidamente, por lo que está indicado tanto en la precipitación previa
como en la coprecipitación de aguas residuales urbanas o industriales. Se
emplea también en el tratamiento de aguas potables aunque en algún caso
puede producir problemas de coloración.
Cloruro férrico: Es similar al anterior aunque de aplicación muy limitada por
tener un intervalo de pH más corto. Es enérgico aunque puede presentar
problemas de coloración en las aguas.
En la Figura 2. 6 se muestra cómo los coagulantes cancelan las cargas
eléctricas sobre la superficie del coloide permitiendo la aglomeración y la
formación de flóculos. Estos flóculos inicialmente son pequeños, pero se juntan
y forman aglomerados mayores capaces de sedimentar. Para favorecer la
formación de aglomerados de mayor tamaño se adiciona un grupo de
productos denominados floculantes. Cuando se aproximan dos partículas
semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión,
cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que los separa y cae
rápidamente con el incremento de iones de carga opuesta al de las partículas.
Esto se consigue sólo con los iones del coagulante (Figura 2. 7). Existe por otro
lado, un potencial de atracción Ea entre las partículas llamado fuerzas de Van
der Waals, que dependen de los átomos que constituyen las partículas y de la
densidad de estos últimos. Si la distancia que separa a las partículas es
superior a “L” las partículas no se atraen. Eb es la energía que las mantiene
separadas.
Figura 2. 6 Desestabilización del coloide y compresión de la capa difusa.
13
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 2. 7 Fuerzas de atracción y repulsión.
Floculación: Aglomeración de partículas desestabilizadas primero
microflóculos, y más tarde en aglomerados voluminosos llamados flóculos.
en
Hay dos tipos principales de floculantes:
•
Floculantes naturales: Almidón, goma guar, usados en la antigüedad,
pero sustituidos por otros sintéticos, más efectivos.
•
Floculantes sintéticos: Existe cientos de polímeros sintéticos que pueden
actuar como floculantes, por lo que se debe estudiar cada caso en
particular.
Una vez las partículas están agregadas, se procede a su separación de la fase
acuosa. Se pueden utilizar dos procedimientos diferentes, filtración y
sedimentación.
2.4.1.1 Coagulación - filtración
La filtración (Maloney, 2008a) es la separación de una mezcla líquido-sólido
que incluye el paso de la mayor parte del fluido a través de un medio poroso,
que retiene la mayor parte de las partículas sólidas de la mezcla, proceso que
se muestra en la Figura 2.8 (Svarovsky, 2000).
Figura 2. 8 Esquema del proceso de filtración
14
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
El medio filtrante es la barrera que permite que pase el líquido y retiene parte
del sólido. El medio puede ser una pantalla, tela, papel o lecho sólido. El líquido
que pasa a través del medio se llama filtrado.
La filtración se clasifica de diferentes formas:
•
Por la fuerza impulsora: se induce el flujo a través del medio por la carga
hidrostática (gravedad) o presión sobreatmosférica antes del medio
filtrante o presión subatmosférica después del mismo.
•
Por el mecanismo de filtración: se distinguen dos tipos, filtración de torta
y de profundidad.
•
Por la función: la meta de la operación puede ser obtener sólido seco,
líquido clarificado o ambas cosas.
•
Por ciclo operacional: puede ser intermitente o continuo.
•
Por la naturaleza de los sólidos
Los diferentes tipos anteriores no son excluyentes, es decir, un proceso
pertenecerá a varias de las anteriores clasificaciones.
2.4.1.2 Coagulación - sedimentación
Por sedimentación se denomina el proceso mediante el cual se asientan los
sólidos suspendidos en un fluido, bajo la acción de la gravedad (Maloney,
2008b). Los tipos de sedimentación se ven muy afectados no sólo por factores
obvios (tamaño de partículas, viscosidad del líquido, densidad de sólido y
líquido), sino también por las características de las partículas en el precipitado,
tal y como se muestra en la
Figura 2. 9.
Por
partículas
“totalmente
discretas” se entiende la mayoría
de partículas minerales (con
diámetro superior a 20 mm),
cristales de sales y sustancias
similares. Partículas “floculentas”
se refiere a aquellas inferiores a 20
mm, como la mayor parte de las
partículas orgánicas.
Figura 2. 9 Efecto combinado de la
adherencia de la partícula y la
concentración de los sólidos sobre las
características de sedimentación de
una suspensión.
15
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
A bajas concentraciones, el tipo de sedimentación encontrado se conoce como
asentamiento de la partícula. Independientemente de su naturaleza, las
partículas están lo suficientemente alejadas entre sí como para depositarse
libremente. Las partículas que se asientan con más rapidez pueden chocar con
las que lo hacen más lentamente y si no se adhieren, continúan descendiendo
a su propia velocidad específica. Aquellas que no se adhieren forman flóculos
que descienden más rápidamente que las partículas individuales. Hay una
transición gradual del asentamiento de partículas al régimen de la zona de
asentamiento, donde las partículas son forzadas a asentarse como una masa.
La principal característica de esta zona es que la velocidad de asentamiento de
la masa es función de la concentración de sólidos.
Por último, la concentración de sólidos llega a un nivel en el cual el descenso
de la partícula se ve restringido no sólo por fuerzas hidrodinámicas, sino
también en parte por el apoyo mecánico de las partículas que se encuentran
debajo. La compresión da lugar a una concentración aún mayor de sólidos, por
la compactación de los flóculos individuales y el relleno de los huecos interflóculos con flóculos parcialmente deformados. Como se indica en la figura 2.5,
las partículas granuladas pueden llegar a la concentración máxima de sólidos
sin pasar por este estado de compactación.
2.4.1.3 Cálculo de la velocidad de sedimentación
El fundamento para la sedimentación de partículas discretas es la Ley de
Newton, que se basa en la suposición de que las partículas son esféricas, con
diámetros homogéneos. Cuando una partícula sedimenta, va acelerándose
hasta que las fuerzas que provocan la sedimentación, en especial el peso
efectivo de la partícula, se equilibran con las resistencias o fuerzas de fricción
ofrecidas por el líquido (Ramalho, 1996). Si se considera la partícula de la
Figura 2. 10, en su velocidad final, puede escribirse el equilibrio de fuerzas
correspondiente.
Figura 2. 10 Fuerzas que intervienen en la sedimentación
La fuerza que provoca la sedimentación es la diferencia entre su peso y el
empuje hidrostático:
=
(
16
−
)
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
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donde
Fs es el peso efectivo de la partícula (N)
ρs es la densidad de la partícula (kg/m3)
ρL es la densidad del líquido (kg/m3)
ν es el volumen de la partícula (m3)
g es la aceleración de la gravedad (m/s2)
La fuerza de resistencia que trata de impedir la sedimentación es:
=
donde
2
FD es la fuerza de resistencia (empuje) (N)
ρL es la densidad del líquido (kg/m3)
CD es el coeficiente de fricción
A es el área proyectada por la partícula (m2)
V es a velocidad de la partícula (m/s).
En las condiciones que definen la velocidad de sedimentación, Fs=FD, con lo
que se obtiene una expresión (en partículas esféricas de diámetro d) para la
velocidad de sedimentación (Vs):
=
4
3
−
.
Como se deduce de la ecuación anterior, la velocidad de sedimentación
depende de las propiedades físicas del sólido y del líquido, y del tamaño de
partícula o agregado.
2.4.2 Ultrafiltración
2.4.2.1 Concepto de ultrafiltración
Como alternativa a los procesos físico-químicos, se ha llevado a cabo un
estudio de ultrafiltración, a través de membranas cerámicas de diferente
tamaño de poro.
Una membrana es una barrera selectiva que permite el paso de algunos
componentes de una mezcla reteniendo los otros, tal y como se muestra en la
Figura 2. 11. El fluido que traspasa la membrana es el llamado permeado, y el
que no lo hace es el rechazo.
17
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 2. 11 Esquema de una membrana selectiva.
Usualmente la filtración convencional está referida a la separación de sólidos o
partículas insolubles de una corriente líquida. La filtración usando membranas
se extiende aún mas, llegando hasta la separación de sólidos disueltos en las
corrientes líquidas, por lo que los procesos de membranas en el tratamiento de
aguas residuales son usados para eliminar diversos componentes, que van
desde sales hasta microorganismos o sólidos en suspensión.
La capacidad de separación de una membrana depende de las propiedades de
transporte de los diferentes componentes de la disolución. La fuerza motriz y su
permeabilidad determinan la velocidad de transporte de los componentes a
través de ella. Las fuerzas impulsoras más importantes son los gradientes de
presión, potencial químico y eléctrico, dando origen a convección de masa,
difusión de moléculas y transporte de iones respectivamente (Tchobanoglous et
al., 2003a).
Los procesos que utilizan membranas se pueden clasificar también según la
fuerza motriz utilizada, siendo los de mayor relevancia los impulsados por
gradiente de presión. La clasificación de los procesos dentro de la fuerza motriz
empleada se hace por el tamaño de partícula que deja pasar la membrana; así,
se distingue entre las tecnologías que se muestra en la Tabla 2.2.
.
18
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Tabla 2. 2 Clasificación de los procesos de separación por membrana
Rango de
separación
Ejemplo de materiales a
separar
Microfiltración
10-0,1 µm
Partículas pequeñas, coloides
grandes
Ultrafiltración
0,1 µm- 5 nm
Emulsiones, proteínas,
colorantes
Nanofiltración
5nm - 1nm
Sales disueltas
Ósmosis
inversa
<1nm
Sales disueltas, compuestos
orgánicos pequeños
Proceso
Fuerza impulsora
Gradiente de presión
Electrodiálisis
Gradiente de potencial
eléctrico
<5nm
Sales disueltas
Diálisis
Gradiente de
concentración
<5nm
Tratamiento de insuficiencia
renal
2.4.2.2 Materiales y configuraciones de membranas
Los materiales empleados para la construcción de membranas deben ser
resistentes mecánicamente, y deben poseer resistencia térmica y química
frente al calor, pHs extremos y a la acción de agentes oxidantes enérgicos.
Existen 2 tipos de materiales fundamentales para la construcción de
membranas: los de tipo polimérico (membrana orgánica) y los de base
cerámica (membrana inorgánica).
Entre las membranas de naturaleza orgánica cabe distinguir entre las de
carácter hidrófilo y las de carácter hidrófobo. Estas últimas son más
susceptibles al ensuciamiento por materia hidrofóbica. Habitualmente se realiza
una modificación para que aparezca una capa superficial hidrofílica mediante
oxidación química, tratamientos con plasma, etc. (Prats, 2012-2013).
Los materiales poliméricos más usados en la fabricación de las membranas de
MF y UF son el fluoruro de polivinilideno (PVDF), polisulfona (PES),
policarbonato (PC), polietileno (PE), polipropileno (PP) y membranas de
ésteres de celulosa.
Respecto a la morfología de las membranas, éstas pueden ser simétricas en
todo su espesor o asimétricas. En el caso de las membranas asimétricas
presentan una fina capa en la superficie, que es responsable de la selectividad
de separación de las especies, sobre un soporte poroso que le confiere la
estabilidad mecánica. La capa superficial debe tener una estrecha distribución
19
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
de tamaño de poro con el objetivo de lograr una eliminación lo más selectiva
posible.
Atendiendo a la geometría, las membranas se pueden fabricar planas o
cilíndricas. Entre las cilíndricas cabe distinguir: la membrana tubular, con
diámetro interior > 3 mm, y la membrana de fibra hueca, con diámetro interior <
3 mm.
Para las operaciones con membranas es necesario montarlas en un dispositivo
en el que se puedan poner en contacto con la corriente de alimento para
obtener las corrientes de permeado y rechazo. Este dispositivo se denomina
módulo y debe cumplir una serie de características como soportar las presiones
de trabajo, facilitar la limpieza o reposición de membranas, resistir agentes de
limpieza química, etc. Esta unidad operacional consta de membranas,
estructuras de soporte de presión, puertos de entrada de la alimentación,
distribuidores del caudal, puntos de salida y drenaje del permeado y
concentrado. Existen cuatro tipos básicos de configuración de módulos: placabastidor, espiral, tubular y capilar.
Los procesos de membranas en los que la fuerza impulsora es el gradiente de
presión, como es el caso de la ultrafiltración, pueden operar en dos modos
diferentes: filtración perpendicular y de flujo transversal. La filtración frontal es
equivalente a la filtración convencional sin membranas y es aquella en la que
todo el flujo a tratar atraviesa la membrana como permeado, acumulándose
continuamente las sustancias retenidas. La filtración de flujo transversal, la más
habitual en las operaciones de membrana, es aquella en la que las sustancias
retenidas por la membrana se extraen continuamente del módulo con la
corriente de concentrado (Domínguez, 2010).
Las expresiones para el transporte del soluto y el disolvente a través de
membranas de ultrafiltración se modelan como combinación de procesos de
convección y difusión (Polyakov & Zydney, 2013). La dimensión del soluto con
respecto al tamaño de los poros de la membrana determina si éste puede
pasar o no por ella (Dechadilok & Deen, 2006). El tamaño de partícula presente
en la muestra a tratar queda dentro del rango de retención de la ultrafiltración.
En un proceso ideal, la ultrafiltración debería eliminar el líquido de proceso sin
que se depositara sólidos sobre la superficie de la membrana. Sin embargo, el
flujo de permeado disminuye con el paso del tiempo. La causa de esto es el
ensuciamiento debido a la adsorción de partículas sólidas en la membrana, que
bloquean los poros o reducen su tamaño, disminuyendo la permeabilidad y
aumentando la presión necesaria para que el permeado atraviese la membrana
(Choi et al., 2005).
En este ensuciamiento inciden factores de la membrana como la
hidrofobicidad, carga eléctrica y tamaño de poros; factores del soluto como
solubilidad y estructura molecular y parámetros del proceso como la
temperatura, el caudal de circulación o la presión (Sentana et al., 2009).
20
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
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3. OBJETIVOS
Una vez vistos los principales inconvenientes que genera el proceso de
destintado (deinking) de plástico, así como las posibilidades para minimizarlos,
en el presente trabajo se persiguen dos objetivos principales.
•
En primer lugar, se intenta tratar el efluente para conseguir un producto
reutilizable, que cumpla con las condiciones adecuadas para no interferir
en la calidad del proceso:
o No debe dejar color en el plástico tratado.
o Debe mantener una cantidad de surfactante tal que se minimice la
cantidad del mismo que se pierde.
Para ello, se utilizan los medios disponibles en la empresa Olax22 S.L,
de forma que el tratamiento que se adopte como solución sea
implementado en el menor tiempo posible. Por este motivo se analiza la
eficacia de diferentes alternativas:
o Coagulación a diferentes pH-s
o Coagulación-floculación, seguida de sedimentación con diferentes
floculantes.
o Coagulación seguida de filtración
•
Por otra parte, se estudiará el tratamiento a seguir en el caso de un
vertido a la red de alcantarillado para su tratamiento en una EDAR.
Como en el caso anterior, se utilizarán los equipos presentes en la
empresa, de forma que se tomarán dos opciones:
o Que alguno de los tratamientos estudiados en el objetivo anterior
sea lo suficientemente eficaz
o Uso de equipos de ultrafiltración.
Por último, se realizará un pequeño estudio económico, simulando los procesos
a escala piloto, de manera que se tenga una estimación de los posibles costes.
21
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
22
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
4. MATERIALES Y MÉTODOS
4.1 Coagulación-floculación
4.1.1 Equipo de laboratorio jar-test para ensayos de coagulación y floculación.
Se dispone de un equipo de laboratorio "Jar- Test" provisto de 6 unidades de
tratamiento simultaneas (Figura 4. 1). Cada una de ellas dispone de un agitador
de palas normalizado con regulador de velocidad para el mezclado rápido o
lento de las etapas de coagulación y floculación respectivamente. Dispone
además de un controlador de tiempos y una pantalla iluminada por la parte
posterior para observar bien el aspecto de las muestras tratadas.
Figura 4. 1 Equipo utilizado para la realización de ensayos Jar test.
4.1.2 Dosis óptima de coagulante.
Para evaluar la eficacia del tratamiento y la dosificación óptima de floculantes y
coagulantes en una muestra se deben realizar varias medidas (Marin, 1998).
El procedimiento a seguir es el siguiente:
1. Se preparan seis vasos de precipitados de 1000 cm3 de capacidad,
introduciendo en cada uno 600 cm3 del agua a tratar.
2. Utilizando uno de los coagulantes, se añaden diferentes dosis del mismo de
forma que se obtengan diferentes concentraciones.
3. Se toma una pequeña cantidad de muestra de cada uno de los vasos de
precipitados y se mide la turbidez.
4. Se agita de forma enérgica (150 rpm) durante 3 minutos y a continuación de
una forma más lenta (25 rpm) durante 12 minutos. Transcurrido este tiempo se
23
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
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levanta el agitador, teniendo cuidado de no romper flóculos, y se deja decantar
20 minutos.
5. Una vez decantado se toma una muestra de cada vaso y se mide su
turbidez.
6. Con los valores de turbidez medidos se construye una gráfica donde se
represente el porcentaje de reducción de turbidez frente a la concentración de
coagulante empleada. Se determina la dosificación óptima de coagulante, la
cual constituirá la dosis a utilizar en las experiencias de floculación.
Se usan diferentes coagulantes, en función del pH de la muestra:
•
•
A pH 13 se utiliza sulfato férrico, ya que como se indicó en la
introducción es el que mejor actúa a pH básico.
A pH 7 se utiliza sulfato de aluminio, porque es el que mejor funciona a
pH neutro.
4.1.3 Dosis óptima de floculante.
El procedimiento es el mismo que para la determinación de la dosis óptima del
coagulante, con la diferencia que en este caso se adiciona dicha dosis al
comienzo del experimento y lo que se varía es la dosis de floculante añadida.
Se probarán 5 floculantes comerciales distintos, de diferente naturaleza, para
comparar su eficiencia:
•
•
•
•
•
Floculante AS-77 de la marca Degremont.
Floculante CS-204 de la marca Degremont.
Floculante TE 4700SH de la marca Degremont.
Carboximetilcelulosa (CMC).
Hidróxido cálcico.
Los tres primeros son polielectrolitos sintéticos, diseñados por la empresa
Degremont y utilizados en el tratamiento de aguas residuales.
La carboximetilcelulosa es un compuesto orgánico, derivado de la celulosa, con
un grupo ionizable negativo (grupo carboxílico). Su empleo es en ciertos casos
más ventajoso que el de los polielectrolitos sintéticos, aunque las dosis son
generalmente más elevadas.
La cal apagada (hidróxido sódico), se utiliza en forma de suspensión como
floculante o adyuvante de la coagulación.
24
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
4.2 Filtración
Para los experimentos de filtración se utiliza un
matraz kitasato como el que muestra en la Figura
4. 2 . Como medio filtrante se utiliza un filtro de
fibra de vidrio (Whatman GF/C) con un tamaño
nominal de poro de 0.45 μm. Se adiciona
lentamente el líquido a filtrar, intentando minimizar
la rotura de los flóculos formados, para que el
tamaño de partícula sea el mayor posible y se
retenga el mayor porcentaje de los sólidos
presentes.
Figura 4. 2 Equipo para los experimentos de filtración
4.3 Velocidad de sedimentación
Una vez obtenidas las diferentes dosis óptimas de cada floculante estudiado,
se debe elegir el que se va a utilizar. Para ello, hay que tener en cuenta tanto la
capacidad de eliminación de contaminantes como la velocidad a la que éstos
se eliminan. Este parámetro tendrá que ver con la velocidad de sedimentación.
Para su determinación se utilizan los datos obtenidos en una sedimentación
discontinua (Ramalho, 1996).
Figura 4. 3 Proceso de sedimentación.
La forma de operar con cada una de las probetas es la que se describe a
continuación y la que se muestra en la Figura 4. 3 :
1. Se mide la mide la altura inicial de la suspensión, ho, usando la regla
acoplada a cada probeta.
2. Se toma la probeta de concentración y se agita intensamente para que
la concentración sea lo más uniforme posible a lo largo de toda la
probeta.
25
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
3. Se deja la probeta en reposo y se va determinando la altura que ocupa
la suspensión en función del tiempo, tomando para ello medidas de la
altura de la suspensión (h) cada minuto.
La probeta utilizada en los experimentos se muestra en la Figura 4. 4.
Figura 4. 4 Montaje para la determinación de la velocidad de sedimentación
Una vez se alcanza el estado final de la sedimentación, se representan los
pares t/h obtenidos, resultando una gráfica como la de la Figura 4. 5.
Figura 4. 5 Relación de la altura de interfase con el tiempo
Una vez realizada la representación gráfica de la variación de la altura frente al
tiempo, se calcula la velocidad de sedimentación en función de la
concentración utilizando el método de Coe y Clevenger, el cual consiste en
estimar, a partir de los datos experimentales obtenidos para los diferentes
reactivos floculantes, los valores de las pendientes en el origen, -(dh/dt), que
coinciden con las velocidades de sedimentación (v).
26
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
4.4 Ultrafiltración
El montaje experimental se muestra en la Figura 4. 6. Se hace circular el agua
contaminada por la membrana durante el tiempo suficiente para recoger la
cantidad de permeado necesaria para realizar los análisis posteriores. Debido
al volumen de pruebas que hay que realizar, se obtendrá 1 litro de permeado.
Figura 4. 6 Montaje experimental para los ensayos de ultrafiltración
4.4.1 Membranas utilizadas
Las membranas utilizadas son de la empresa Likuid (Figura 4.7) y tienen las
características que se muestran en la tabla 4.1.
Tabla 4. 1 Características de las membranas empleadas (Likuid).
Material de membrana
Al2O3/TiO2/ZrO2
Morfología
Multitubular
Rango de resistencia a pH
0-14
Rango de Presión transmembrana
0-8 bar
Potencial ensuciamiento
Bajo
Tamaño de poro
15; 150; 300 kDa
Las membranas cerámicas consiguen mantener flujos elevados minimizando
los fenómenos de ensuciamiento o fouling, siendo además regeneradas con un
amplio espectro de reactivos y condiciones de limpieza química. Además, son
resistentes a los disolventes, oxidantes y otros productos químicos, aguantan
todo el rango de pH y temperaturas de hasta 100ºC. Por su material y las
configuraciones empleadas, pueden filtrar fluidos con concentraciones
elevadas de aceite, sólidos suspendidos y alta viscosidad.
27
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 4. 7 Membranas de UF
4.4.2 Bastidor
Proporcionado por la misma empresa que fabrica las membranas, es de acero
inoxidable, tiene un diámetro suficiente para albergar una membrana en su
interior. Dispone de dos llaves para controlar el caudal circulante. Además,
lleva acoplados tres manómetros analógicos que permiten medir la presión a la
entrada del sistema, a la salida y en la salida del permeado en caso de estar la
válvula cerrada.
4.4.3 Bomba
Se utiliza una bomba de membrana, accionada por aire comprimido. El caudal
circulante se controla mediante la presión del aire suministrado a la bomba.
4.4.4 Condiciones de trabajo
Se estudiarán las condiciones de flujo a diferentes presiones de trabajo. Para
ello, se mantiene constante el caudal que suministra la bomba y se controla la
presión mediante la válvula de entrada a la membrana. Se obtienen medidas
de caudal de circulación y de permeado para las diferentes membranas en
función de la presión. Se trabajará a un caudal adecuado a las necesidades de
Olax22, que es de 1m3/h. Los resultados se observan en la Figura 4. 8.
28
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
15 kDa
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
800
600
400
Qcirc (L/h)
Qperm (L/h)
200
0
0
1
2
P (bar)
3
4
5
150 kDa
1400
Qcirc (L/h)
1200
1000
800
600
400
Qcirc (L/h)
Qperm (L/h)
200
0
Qcirc (L/h)
0
1
2
P (bar)
3
4
Qcirc (L/h)
Qperm (L/h)
0
1
2
P (bar)
3
4
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
5
300 kDa
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Qperm (L/h)
Qcirc (L/h)
1000
Qperm (L/h)
1200
Qperm (L/h)
Curso 2012-2013
5
Figura 4. 8 Determinación de la presión de trabajo para los experimentos de UF
29
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
La presión de trabajo será en cada caso:
•
•
•
Tamaño de poro 15 kDa: 1,5 bar.
Tamaño de poro 150 kDa: 2,5 bar.
Tamaño de poro 300 kDa: 3,5 bar.
4.4.4 Procedimiento de limpieza
Como se citó en la introducción (Apartado 2.3.2), el ensuciamiento de las
membranas es un factor muy importante en el rendimiento de las mismas. Por
ello, transcurrido un tiempo es preciso limpiarlas. El procedimiento seguido,
debido a la naturaleza inorgánica de la membrana, es una limpieza química con
ácido y álcali, que se lleva a cabo según el procedimiento descrito por el
fabricante:
1. Se hace circular agua durante 15 minutos con la válvula reguladora de
caudal completamente abierta y la de permeado cerrada.
2. Se hace circular una disolución de NaOH al 25% en peso durante 30
minutos, cerrando la válvula para que haya una presión interior entre 2 y
3 bar. Se abre la llave de permeado cuando el manómetro de permeado
indique una presión de 1 bar.
3. Se hace circular una disolución ácida durante 30 minutos a una presión
entre 2 y 3 bar, manteniendo la llave de permeado abierta.
4. Se hace circular agua caliente durante 45 minutos, manteniendo todas
las llaves abiertas al máximo.
4.5 Técnicas analíticas para la caracterización del agua
4.5.1 pH
El pH es un parámetro que da información
sobre la basicidad o acidez de un medio
determinado. Para la medición del pH se utilizó
un equipo CRISON (Modelo BASIC 20) que
funciona por electrometría y que tiene un
electrodo de compensación de temperatura
(Figura 4. 9). La muestra se coloca en vaso de
precipitado con una mosca de agitación, y la
lectura se realiza cuando la medida se haya
estabilizado.
Figura 4. 9 pHmetro modelo BASIC 20 de la marca
CRISON
30
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
4.5.2 Conductividad
La conductividad es un parámetro que indica el
contenido de sales disueltas en un medio
determinado. Para la medida de conductividad
se utilizó un equipo CRISON (Modelo microCM
2200) que funciona por electrometría y que
tiene incorporado un compensador de
temperatura dando la lectura de conductividad
de la solución a 25 ºC (Figura 4. 10). El
electrodo se coloca dentro del vaso de
precipitado que contiene la muestra, se agita, y
se realiza la lectura cuando se estabiliza.
Figura 4. 10 Conductímetro modelo microCM 2200
4.5.3 Determinación de sólidos
Los análisis de sólidos son importantes para evaluar el cumplimiento de las
limitaciones que regulan su vertido. Además, en los casos en que se pretende
reutilizar el agua residual, la normativa exige determinados requisitos de
calidad del agua para su utilización en diversos usos. Las diferentes
determinaciones de sólidos que se suelen realizar son:
A) Sólidos Sedimentables
B) Sólidos Totales
C) Sólidos en Suspensión (SS)
D) Sólidos Totales Disueltos (TSD)
En la Figura 4. 11 se muestra un esquema de las distintas fracciones de sólidos
en un agua residual bruta.
31
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 4. 11 Clasificación de las fracciones sólidas en agua bruta (Varó, 2012-2013)
2012
4.5.3.1 Sólidos Sedimentables
Se denomina sólidos sedimentables al material que se desprende de la fracción
de sólidos en suspensión de agua residual en un periodo determinado de
tiempo.
Procedimiento Volumétrico:
Se llena un cono de Imhoff hasta la marca 1 L con una muestra bien mezclada.
Se deja sedimentar durante 45 minutos, removiendo a continuación
suavemente las paredes del cono con una varilla o mediante rotación;
rota
se
mantiene en reposo 15 minutos más y se registra el volumen de sólidos
sedimentados en el cono como mililitros por litro. Si la materia sedimentada
contiene bolsas de líquido entre partículas gruesas, se evalúa el volumen de
aquéllas y se resta del volumen de sólidos sedimentados. El límite inferior
práctico de la medición depende de la composición de la muestra y, en general,
es del orden de 0.1 a 1.0 mL/L. En caso de producirse una separación de
materiales sedimentables y flotables, no deben valorarse
valorarse estos últimos como
material sedimentable.
Equipos y materiales
•
Cono Imhoff de 1L de capacidad.
En la Figura 4. 12 se muestra el montaje experimental
experimental para este tipo de
análisis.
32
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 4. 12 Cono Imhoff
Procedimiento Gravimétrico:
Los sólidos sedimentables se determinarán por diferencia de los sólidos totales
en suspensión y los sólidos no sedimentables.
4.5.3.2 Sólidos totales
Es la expresión que se aplica a los residuos de material que quedan en un
recipiente después de la evaporación de una muestra y su consecutivo secado
en estufa a temperatura determinada. Estos incluyen los sólidos en suspensión
y los sólidos disueltos.
Para su determinación se introduce una muestra de volumen conocido en la
estufa a 105ºC durante el tiempo necesario para que se elimine el agua,
pesándose a continuación el residuo seco obtenido.
Equipos y materiales
•
•
•
•
Balanza modelo Explorer de la marca OHAUS.
Estufa modelos Selecta 209, de la marca Conterm.
Desecador (Nalgene) con gel de sílice
Vidrio de reloj
4.5.3.3 Sólidos en suspensión
Los sólidos en suspensión (SS) son los obtenidos tras la filtración de un
volumen determinado de muestra a través de un filtro de fibra de vidrio
(Whatman GF/C) con un tamaño nominal de poro de 0.45 μm. Para su
cuantificación el filtro húmedo resultante se seca a una temperatura de 100-105
33
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
ºC y se introduce en un desecador. Estas dos últimas operaciones se repiten
varias veces hasta que el peso de sólido sea constante.
Equipos y materiales
•
•
•
•
•
•
Balanza modelo Explorer de la marca OHAUS
Estufa modelos Selecta 209, de la marca Conterm
Desecador (Nalgene) con gel de sílice
Dispositivo de filtración a vacío (Figura 4. 2)
Discos filtrantes (Whatman GF/C) con tamaño nominal de poro de 0,45
μm
Vidrio de reloj
4.5.3.4 Sólidos disueltos
Es la porción de sólidos totales que atraviesan un filtro de tamaño de poro, área
y espesor determinados.
Se seca a 105ºC el filtrado obtenido en el apartado anterior, midiéndose la
masa de sólido seco que se obtiene.
Equipos y materiales
•
•
•
•
•
•
Balanza modelo Explorer de la marca OHAUS
Estufa modelos Selecta 209, de la marca Conterm
Desecador (Nalgene) con gel de sílice
Dispositivo de filtración a vacío
Discos filtrantes (Whatman GF/C) con tamaño nominal de poro de 0,45
μm
Vidrio de reloj
El montaje es el mismo que se muestra en la Figura 4. 2.
4.5.4 Tamaño de partícula
El tamaño de partículas es una variable importante a medir. Para ello se utiliza
un analizador de partículas por dispersión de láser COULTER (Modelo LS 230),
mostrado en la Figura 4. 13, utilizando el modelo óptico de Fraunhofer. El
equipo trabaja a una longitud de onda de 750 nm para detectar diámetros de
partículas entre 0.1 y 2000 μm por difracción de luz.
34
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 4. 13 Analizador de tamaño de partícula
Los pasos para la medición de tamaños de partículas de una muestra son los
siguientes:
1) Inicialmente el instrumento efectúa una optimización de variables como
la alineación del haz, la medición de fondo, etc.
2) Se adiciona la muestra en un vaso colector que contiene el equipo,
hasta que alcanza la concentración adecuada (lo indica el equipo
automáticamente).
3) El rayo láser ilumina la muestra dispersada.
4) Los fotodetectores detectan y miden la luz dispersada.
5) Los fotodetectores son escaneados y sus valores son convertidos en
valores digitales que se transmiten al ordenador.
6) El ordenador guarda los datos y muestra en pantalla un gráfico con los
valores de intensidad de luz por unidad de área. Mucha información
adicional puede obtenerse con ayuda del software del equipo.
4.5.5 Materia orgánica
4.5.5.1 Contenido en carbono
El contenido en carbono se determina mediante combustión a 680ºC en un
horno mufla, con catalizador de platino, analizándose después mediante
infrarrojos el CO2 formado. En el mismo análisis se mide el Carbono Inorgánico
(IC) presente en la muestra mediante acidificación y combustión a temperatura
ambiente. Por diferencia se obtiene el Carbono Orgánico (OC). En este caso se
utilizó el equipo que se muestra en la Figura 4. 14, correspondiente al modelo
TOC-5000 de la casa Shimadzu.
35
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 4. 14. Equipo utilizado para la medición del contenido en carbono
4.5.5.2 Demanda Química de Oxígeno
La demanda química de oxígeno (DQO) es una medida del oxígeno
equivalente al contenido en materia orgánica de una muestra susceptible a la
oxidación por un fuerte oxidante químico. Para determinarla, se usan dos
métodos, el primero volumétrico y el segundo mediante kits preparados
(Apartado 4.5.8).
El método volumétrico consiste en el calentamiento de un determinado
volumen de muestra con dicromato potásico en exceso, en presencia de ácido
sulfúrico durante dos horas. La materia orgánica se oxida y como resultado el
dicromato (amarillo) se reduce a Cr3+ (verde). La medida se lleva a cabo por
valoración del dicromato que no se ha reducido. En esta valoración se utiliza
sulfato ferroso-amónico (sal de Mohr), en presencia de ferroína como indicador,
que debido a la formación de un complejo con el ion ferroso vira a marrón
rojizo.
Equipo y materiales
•
•
Digestor Hach.
Material de vidrio para las valoraciones (bureta, matraz erlenmeyer)
La expresión para calcular la DQO es:
!
" =
(
#
−
36
$ ). % &' )* +,-. . 8000
$1* 2.&
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
donde
Vb = volumen de sal de Mohr utiizado en la valoración del blanco
(ml).
Vm= volumen de sal de Mohr utilizado en la valoración de la
muestra (ml).
Nsal de Mohr= Normalidad de la sal de Mohr.
Vmuestra = volumen de la muestra en ml.
4.5.5.3 Demanda Biológica de Oxígeno
Es un parámetro que mide la cantidad de materia susceptible de ser consumida
u oxidada por medios biológicos que contiene una muestra líquida, disuelta o
en suspensión. Se utiliza para medir el grado de contaminación, normalmente
se mide transcurridos cinco días de reacción (DBO5), y se expresa en
miligramos de oxígeno por litro (mgO2/l).
Para la medida de la DBO5 se usará el método manométrico. El dispositivo a
utilizar será el que se observa en la Figura 4. 15
Figura 4. 15 Dispositivo para la medición de DBO5. Izq: Esquema de funcionamiento.
Dcha: equipo utilizado.
Las bases del método manométrico son las siguientes: esencialmente el
método consiste en medir la presión del oxígeno contenido en la botella de
incubación, antes y después del ensayo, y relacionar la depresión producida
por el consumo del oxígeno presente, con los volúmenes en juego. La lectura
de la disminución de presión, puede dar directamente el oxígeno consumido en
mg/L lo que simplifica enormemente los cálculos. Para concentraciones
37
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
superiores a la escala del instrumento, se modifica el volumen de muestra de
tal manera que empleando un factor adecuado, se obtenga igualmente un
resultado directo. La producción deCO2 se absorbe con un álcali para que no
interfiera en la medición de la presión y la presencia de agentes nitrificantes,
puede inhibirse mediante la adición de, por ejemplo, azida sódica.
4.5.6 Surfactante
Como se describió en la introducción, el proceso de estudio utiliza una
disolución de surfactantes catiónicos para eliminar las tintas de la superficie del
plástico. Por lo tanto, es interesante saber qué proporción de esos compuestos
pasan al agua residual.
Para la determinación de la
cantidad de surfactante se utilizará
una valoración potenciométrica,
mediante el equipo de Metrohm.
Esta valoración consiste en la
neutralización
del
surfactante
catiónico
con
otro
aniónico,
determinado por el fabricante del
equipo.
El montaje experimental se muestra
en la Figura 4.16.
.
Figura 4. 16. Montaje experimental
para la valoración potenciométrica.
El surfactante aniónico utilizado será una disolución 0,004 M de SDS
(dodecilsufato sódico, surfactante aniónico). Se irá adicionando con una bureta,
de forma que el equipo registre al potencial eléctrico en función del volumen
adicionado. De esta forma se obtiene una curva cuyo punto de inflexión indica
el volumen de SDS adicionado para neutralizar el surfactante catiónico. Para
facilitar la determinación del punto de inflexión se hará la derivada de la curva,
obteniéndose de esta forma un mínimo en el punto de determinación.
El cálculo de la concentración de surfactante se realiza con la siguiente
ecuación:
!
34567897:9; < = =
"
donde,
.
.
$1* 2.&
VSDS (mL): volumen de SDS adicionado en el punto de inflexión.
FC1: factor de conversión, 1mL de disolución de SDS equivale a
1,1535 mg de surfactante catiónico.
38
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
FC2: 1000; conversión a mg/L.
4.5.7 Determinación de las sales disueltas
Las sales disueltas son los sólidos disueltos medidos tal y como se indicó en el
apartado 4.3.3.4.
4.5.7.1 Determinación de nitrato.
Se utilizará un método de determinación por espectrometría de absorción
ultravioleta (Collos et al., 1999), ya que no precisa la adición de compuestos
químicos.
Se prepara una curva de calibrado midiendo la absorbancia a 220nm de unos
patrones de concentración conocida. Para conocer el contenido en nitrato en la
muestra se mide su absorbancia a la longitud de onda anteriormente citada.
Equipo y materiales
•
Espectrofotómetro UVmini 1240 de la casa Shimadzu.
4.5.7.2 Determinación de cloruros.
La determinación del Cl- presente se basa en la determinación de cloruro de
plata por valoración, sal relativamente insoluble, detectando el punto de viraje
por la aparición de un precipitado rojo de Ag2CrO4, compuesto que se usa
como indicador.
Para el cálculo de la concentración de Cl- se usa la expresión:
"><
donde
!
" = = % · 35.5 · 1000 ·
(
$
−
#)
$1* 2.&
Vb = volumen de AgNO3 utilizado en la valoración del blanco (ml).
Vm= volumen de AgNO3 utilizado en la valoración de la muestra
(ml).
Nsal de Mohr= Normalidad de la disolución valorante de AgNO3.
Vmuestra = volumen de la muestra en ml.
Equipo y materiales
•
Material de vidrio para las valoraciones (bureta, matraz erlenmeyer)
39
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
4.5.7.3 Determinación de sulfatos.
El método se basa en la medida de la turbidez formada cuando a una
disolución que contiene sulfato se le adiciona BaCl2, originándose un
precipitado de sulfato de bario.
Se prepara una curva de calibrado midiendo la turbidez a 420nm de unos
patrones de concentración de sulfato conocida. Para conocer el contenido en
sulfatos en la muestra se mide su turbidez a la longitud de onda anteriormente
citada.
Equipo y materiales
•
•
Material de vidrio para las valoraciones (bureta, matraz erlenmeyer)
Espectrofotómetro UVmini 1240 de la casa Shimadzu.
4.5.8 Análisis con kits
Las determinaciones de Demanda Química de Oxígeno (DQO), nitrato (NO3-) y
surfactante se pueden realizar también mediante cubetas-test de Hach Lange.
El procedimiento consiste en añadir la muestra a analizar en las cubetas y
adicionar los reactivos específicos en cada caso. En el caso de la DQO es
necesaria una digestión previa (tal y como se hace en el método volumétrico).
La utilización de kits sustituye la valoración por una lectura fotométrica, la cual
está automatizada por un sistema de códigos de barras reconocidos por el
fotómetro. La Figura 4. 17 muestra el equipamiento utilizado para dichas
determinaciones.
Figura 4. 17 Reactor Hach y lector espectrofotométrico utilizados en los análisis con kits.
El uso de kits hace que no sea necesario el realizar cálculos, ya que el
fotómetro proporciona directamente el resultado final en mg/l. Sin embargo,
debido al elevado coste de los kits, su uso se limita a análisis que son muy
difíciles de medir por los métodos descritos anteriormente (concentraciones
muy bajas o muy altas, por ejemplo).
40
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5. RESULTADOS
A continuación se detallan los resultados obtenidos en cada uno de los
experimentos realizados.
5.1 Caracterización del efluente a tratar.
En primer lugar se muestran las principales propiedades de la corriente de
agua a tratar, para comprobar cumple lo esperado según la bibliografía.
Se comparará con el análisis típico de un agua residual
5.1.1 Características físicas y químicas
En la Tabla 5. 1 aparecen las propiedades del efluente a tratar. Se cumple lo
descrito en la introducción, ya que el agua tiene una gran cantidad de sólidos.
La mayor parte de los mismos son sólidos tan pequeños que deben
considerarse como sólidos disueltos. Para comprobar esta teoría, se lleva a
cabo el análisis de tamaño de partícula, descrito en el apartado siguiente.
Los resultados obtenidos se comparan con los de un agua residual típica
(Tchobanoglous et al., 2003b). El valor de todos los parámetros supera
ampliamente el valor típico en agua residual.
Tabla 5. 1 Propiedades de la corriente a tratar.
Muestra
Efluente a tratar
Agua residual urbana
típica
Color
Gris-verdoso intenso
Apreciable a dilución
1:40
Inapreciable a dilución
1:40
pH
12,73
variable
Conductividad (µ
µS/cm)
32500
variable
Sólidos totales (mg/L)
Sólidos no
sedimentables (mg/L)
Sólidos sedimentables
(mg/L)
Sólidos disueltos (mg/L)
39800
720
900
210
5900
10
33000
500
41
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.1.2 Distribución de tamaño de partícula
La distribución de tamaño de los sólidos se puede apreciar en la Figura 5. 1 y
en la Tabla 5. 2.
Figura 5. 1 Distribución de partículas para las últimas medidas
Existen dos tipos de partículas, las grandes (los pigmentos), de tamaño
superior a 1 micra, y las de tamaño inferior a 1 µm: las sales disueltas,
colorantes y surfactantes. El equipo utilizado no diferencia entre los tamaños
más pequeños, aunque tal y como se puede ver en la Figura 5.1, la mayor
parte de las partículas de tamaño inferior a 1 µm son menores de 0,5 µm, y por
lo tanto, no son separables por el filtro utilizado en la determinación, de 0,45
µm.
Tabla 5. 2 Porcentajes de distribución para las últimas medidas
Tamaño (µ
µm)
0,1-1
1-4
4-10
Distribución (%respecto al total)
Muestra 07 Muestra 08
media
49,6
47,0
48,3
29,9
29,3
29,6
19,8
24,0
21,9
42
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.1.3 Contenido en materia orgánica
La Tabla 5. 3 muestra el contenido en materia orgánica, que es elevado, como
se indicó en la introducción y en la bibliografía (Verma, Dash, & Bunia, 2012).
Tabla 5. 3 Contenido en materia orgánica del efluente
Muestra
Efluente a tratar
Agua residual urbana
típica
C inorgánico (ppm)
1150
-
C orgánico (ppm)
7150
160
DQO (mg/L)
31000
500
DBO5 (mgO2/L)
4700
190
Tal y como cabía esperar, el contenido en materia orgánica es muy elevado,
como se indicó anteriormente. La distribución del Carbono indica que la mayor
parte de los compuestos presentes en el efluente son de origen orgánico. El
contenido inorgánico procede de pigmentos de color oscuro.
5.1.4 Sales disueltas y surfactante
La concentración de las sales estudiadas, así como del surfactante se detalla
en la Tabla 5. 4.
Tabla 5. 4. Contenido en sales y surfactante del efluente
Muestra
Efluente a tratar
Agua residual
urbana típica
Cloruros (mg/L)
500
50
Sulfatos (mg/L)
610
30
Nitratos (mg/L)
290
0
Surfactante catiónico (mg/L)
1750
0
43
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.2 Determinación de la dosis óptima de coagulante
En este apartado se determina la dosis óptima de cada compuesto que se debe
adicionar. Se estudian dos situaciones diferentes: a pH básico, tal y como sale
el efluente del proceso y como se debería reutilizar y a pH neutro, como indica
la legislación de vertidos.
5.2.1 Agua reutilizada
Para el pH de la muestra original (pH 13), el coagulante a utilizar es el sulfato
férrico, Fe2(SO4)3, ya que es el que mejor funciona en medio básico.
Para las diferentes concentraciones se obtienen los resultados mostrados en la
Figura 5. 2.
Ensayo Jar test a pH 13
14,00%
Reducción de laturbidez
12,00%
10,00%
8,00%
6,00%
4,00%
2,00%
0,00%
0
20
40
60
80
100
Dosis de coagulante (ppm)
120
140
Figura 5. 2 Jar test a pH 13
El mayor descenso de la turbidez, y la mayor reducción de color de la muestra
se consigue con una dosis de 100 ppm de coagulante. Por tanto, se añade esta
dosis a los experimentos posteriores.
44
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.2.2 Agua de vertido
Para pH neutro, el coagulante a utilizar es el sulfato de aluminio, Al2(SO4)3.
Para las diferentes concentraciones se obtienen los resultados mostrados en la
Figura 5. 3.
Ensayo Jar test a pH 7
16,00%
Reducción de la turbidez
14,00%
12,00%
10,00%
8,00%
6,00%
4,00%
2,00%
0,00%
0
50
100
150
Dosis de coagulante (ppm)
200
Figura 5. 3 Jar test a pH7
El mayor descenso de la turbidez y la mayor reducción de color de la muestra
se consigue con una dosis de 120 ppm de coagulante. Por tanto, se añade esta
dosis a los experimentos posteriores.
En ambos experimentos la reducción es muy baja, por lo que el coagulante es
insuficiente por sí mismo de eliminar los sólidos presentes en la muestra.
45
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.3 Determinación de la dosis óptima de floculante
A continuación se utiliza el método de Jar Test para determinar la
concentración óptima de floculante que se debe utilizar.
5.3.1 Agua reutilizada
TE 4700 SH
60%
50%
50%
Reducción de turbidez
Reducción de turbidez
AS-77
60%
40%
30%
20%
10%
0%
40%
30%
20%
10%
0%
0
50
100
150
200
250
0
50
Dosis de floculante (ppm)
100
200
250
Ca(OH)2
CS-204
60%
50%
50%
Reducción de turbidez
60%
40%
30%
20%
10%
0%
40%
30%
20%
10%
0%
0
50
100
150
200
250
0
50
Dosis de floculante (ppm)
100
150
200
Dosis de floculante (ppm)
CMC
60%
Reducción de turbidez
Reducción de turbidez
150
Dosis de floculante (ppm)
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
50
100
150
200
250
Dosis de floculante (ppm)
Figura 5. 4 Dosis óptima de floculante para cada floculante a pH 13
46
250
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.3.2 Agua de vertido
TE 4700 SH
60%
50%
50%
Reducción de turbidez
Reducción de turbidez
AS-77
60%
40%
40%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
0%
0%
0
50
100
150
200
250
0
Dosis de floculante (ppm)
50
100
150
200
250
150
200
250
Dosis de floculante (ppm)
CS-204
Ca(OH)2
60%
50%
50%
Reducción de turbidez
Reducción de turbidez
60%
40%
30%
20%
10%
0%
40%
30%
20%
10%
0%
50
100
150
200
250
0
Dosis de floculante (ppm)
50
100
Dosis de floculante (ppm)
CMC
60%
Reducción de turbidez
0
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
50
100
150
200
250
Dosis de floculante (ppm)
Figura 5. 5 Dosis óptima de floculante para cada floculante a pH 7
47
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
. Las gráficas de la figura 5.5 representan curvas típicas de determinación de
concentración óptima, con un aumento de la eliminación a dosis bajas hasta
alcanzar el máximo y una posterior estabilización (o disminución) de la
eliminación. A la vista de los resultados obtenidos, se consideran las siguientes
concentraciones en Tabla 5. 5, correspondientes a la dosis de floculante que
reduce la turbidez en mayor proporción.
Tabla 5. 5. Dosis óptima de los floculantes empleados a pH 13.
FLOCULANTE
AS-77
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
CONC. Óptima pH13
(ppm)
150
100
150
100
150
CONC. Óptima pH7
(ppm)
150
100
150
150
150
5.3.3 Cálculo de la velocidad de sedimentación
Se toma la concentración óptima de cada floculante, resultado del apartado 5.2,
y la segunda más efectiva y se calcula la velocidad de sedimentación.
Los resultados obtenidos para la variación de la altura de interfase con el
tiempo se muestran de la Figura 5. 6 a la Figura 5. 10.
AS-77
10,00
Altura de la interfase (cm)
8,00
6,00
AS-77 200 ppm
AS-77 150 ppm
4,00
2,00
0,00
0
50
100
tiempo (min)
Figura 5. 6 Sedimentación con AS-77
48
150
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
TE 4700 SH
10,00
Altura de la interfase (cm)
8,00
6,00
TE 4700 SH 150 ppm
TE 4700 SH 100 ppm
4,00
2,00
0,00
0
50
100
150
tiempo (min)
Figura 5. 7 Sedimentación con TE 4700SH
CS-204
10,00
Altura de la interfase (cm)
8,00
6,00
TE 4700 SH 150 ppm
TE 4700 SH 100 ppm
4,00
2,00
0,00
0
20
40
60
80
100
tiempo (min)
120
Figura 5. 8 Sedimentación con CS-204
49
140
160
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
CMC
10,0
Altura de la interfase (cm)
8,0
CMC 150 ppm
6,0
CMC 100ppm
4,0
2,0
0,0
0
20
40
60
80
tiempo (min)
100
120
140
Figura 5. 9 Sedimentación con CMC
Ca(OH)2
10,0
Altura de la interfase (cm)
8,0
6,0
Ca(OH)2 100ppm
Ca(OH)2 200ppm
4,0
2,0
0,0
0
20
40
60
80
100
tiempo (min)
120
Figura 5. 10. Sedimentación con Ca(OH)2
50
140
160
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
La velocidad de sedimentación para cada floculante es la que aparece en la
Tabla 5. 6. Se ha tenido en cuenta la mayor de las dos velocidades obtenidas.
Como era de esperar, en cada caso se obtiene para la concentración óptima
calculada anteriormente.
Tabla 5. 6. Velocidad de sedimentación para cada floculante
FLOCULANTE
Concentración
(ppm)
Velocidad
(cm/min)
AS-77
150
0,162
TE 4700 SH
100
0,283
CS-204
150
0,183
CMC
150
0,258
Ca(OH)2
100
0,142
El floculante que hace que los sólidos sedimenten más rápido es el TE
4700SH, seguido de la CMC.
5.4 Sedimentación
En los siguientes apartados se compara la efectividad de los diferentes
floculantes utilizados en la eliminación de los contaminantes del efluente a
tratar. Para ello, se evaluará tanto su eficiencia en la reducción de la
concentración de sustancias indeseadas como la velocidad a la que las
eliminan.
A continuación se analiza el líquido sobrenadante para comprobar la
efectividad de la sedimentación.
5.4.1 Características del agua reutilizada
5.4.1.1 Contenido en sólidos
En la Tabla 5.7 se muestran los sólidos presentes en el líquido sobrenadante
para cada uno de los floculantes estudiados. Asimismo, se detalla la cantidad
de sólido eliminado por cada uno.
51
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Tabla 5. 7 Contenido en sólidos del líquido sobrenadante en la sedimentación.
Original
AS-77
Reducción
Valor
TE 4700 SH
Valor
Reducción
Valor
CS-204
Reducción
Sólidos totales (mg/L)
39800
26200
34,0%
20200
49,1%
20000
49,5%
Sólidos sedimentables
(mg/L)
900
65
98,9%
21
99,6%
10
99,8%
Sólidos no
sedimentables (mg/L)
5900
410
55,4%
325
64,7%
330
64,1%
Sólidos disueltos
(mg/L)
33000
25800
22,0%
19900
39,7%
19700
40,3%
Sólidos eliminados
(mg/L)
13600
17700
19800
Tabla 5. 7 (cont.) Contenido en sólidos del líquido sobrenadante en la sedimentación.
Original
Valor
CMC
Reducción
Valor
Ca(OH)2
Reducción
Sólidos totales (mg/L)
39800
19700
50,5%
26100
34,5%
Sólidos sedimentables (mg/L)
900
12
99,8%
55
99,1%
Sólidos no sedimentables
(mg/L)
5900
290
68,5%
301
67,3%
Sólidos disueltos (mg/L)
33000
19387
41,3%
25700
22,1%
20100
Sólidos eliminados (mg/L)
13700
En la Figura 5. 11 se muestra una comparación entre el porcentaje de
eliminación de las distintas fracciones de sólidos por los floculantes. En dicha
figura se puede ver cómo todos los floculantes eliminan prácticamente un
100% los sólidos sedimentables, como era de esperar, así como un alto
porcentaje de los sólidos no sedimentables, siendo los mejores en este aspecto
el CMC y el Ca(OH)2. Respecto a los sólidos más pequeños, los disueltos, se
obtiene un porcentaje de eliminación aceptable, destacando el CMC y el CS204.
52
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Sólidos sedimentación I
Sólidos totales (mg/L)
Sólidos no sedimentables (mg/L)
Sólidos sedimentables (mg/L)
Sólidos disueltos (mg/L)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
AS-77
77
Figura 5. 11 Sólidos eliminados en la sedimentación.
5.4.1.2 Materia orgánica
Tabla 5. 8.. Eliminación de la materia orgánica en la sedimentación.
Original
AS-77
Valor Reducción
TE 4700 SH
Valor Reducción
CS-204
Valor Reducción
C inorgánico
(ppm)
1150
968
15,7%
990
14,5%
1050
8,6%
C orgánico
(ppm)
7150
7013
1,9%
6120
14,5%
6540
8,5%
DQO (mg/L)
31000
29770
4,1%
26500
14,7%
2830
28300
8,8%
DBO5
(mgO2/L)
4700
4538
3,5%
4060
13,7%
433
4330
7,9%
53
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Tabla 5. 8 (cont.) Eliminación de la materia orgánica en la sedimentación
Original
CMC
Valor Reducción
Ca(OH)2
Valor Reducción
C inorgánico
(ppm)
1150
950
17,4%
1100
5,7%
C orgánico
(ppm)
7150
5900
17,4%
6750
5,6%
DQO (mg/L)
31000
25600
17,6%
29200
5,9%
DBO5
(mgO2/L)
4700
3900
17,5%
4500
4,6%
En la tabla anterior (Tabla
Tabla 5. 8)) aparecen los resultados de los análisis de
materia orgánica realizados al líquido sobrenadante de los experimentos de
sedimentación. De ella se puede extraer la idea de que los sólidos eliminados
eli
(apartado 5.4.1.1)) no corresponden con la materia orgánica presente en la
muestra, ya que los porcentajes de eliminación de ésta son muy inferiores a los
de los sólidos. En la Figura 5. 12 aparece el porcentaje de eliminación para los
floculantes utilizados. Como se puede ver, los más efectivos en este apartado
son la CMC y el TE 4700SH, que doblan al siguiente en efectividad.
Materia orgánica
18%
16%
14%
CO
(mg/L)
12%
DQO
(mg/L)
10%
DBO5
(mg/L)
8%
6%
4%
2%
0%
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
AS-77
77
Figura 5. 12 Materia orgánica eliminada en la sedimentación.
54
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.4.1.3 Sales disueltas y surfactante
Tabla 5. 9. Eliminación de sales y surfactante en la sedimentación
AS-77
Original
TE 4700 SH
Valor
Reducción
Valor
Reducción
CS-204
Reducció
Valor
n
Cloruros
(mg/L)
500
420
16,9%
355
29,4%
355
29,4%
Sulfatos
(mg/L)
610
480
21,0%
440
27,8%
550
9,7%
Nitratos
(mg/L)
290
110
61,8%
120
59,0%
94
67,9%
Surfactante
catiónico
(mg/L)
1750
880
49,90%
668
61,9%
731
58,2%
Tabla 5. 9 (cont.) Eliminación de sales y surfactante en la sedimentación
Original
Valor
CMC
Reducción
Ca(OH)2
Valor Reducción
Cloruros
(mg/L)
500
426
15,31%
284
43,54%
Sulfatos
(mg/L)
610
418
31,36%
536
11,99%
Nitratos (mg/L)
290
79
73,04%
111
62,12%
Surfactante
catiónico
(mg/L)
1750
621
64,53%
912
47,92%
55
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Sales y surfactantes
Cloruros (mg/L)
Nitratos (mg/L)
Sulfatos (mg/L)
Surfactante (mg/L)
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
AS-77
77
Figura 5. 13 Sales y surfactante eliminados en la sedimentación.
La Tabla 5. 9 y la Figura 5. 13 resumen la eliminación de sales disueltas y de
surfactante en el proceso de sedimentación.
La cantidad de cloruros y sulfatos eliminados no es especialmente elevada, a
excepción de los cloruros
os con el hidróxido de calcio, que superan el 40% de
eliminación.
Los nitratos sí que se eliminan en mayor cantidad, llegando a superarse el 70%
con el CMC.
Por último, la mayor parte del surfactante se elimina, siendo especialmente
efectivos el TE 4700SH y el CMC. Esto ocurre porque la mayor parte del
surfactante queda neutralizado por las cargas aniónicas de los floculantes,
precipitando en forma de sales.
56
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.4.2 Características del agua de vertido
5.4.2.1 Contenido en sólidos
En la Tabla 5. 10 se muestran los sólidos presentes en el líquido sobrenadante
para cada uno de los floculantes estudiados. Asimismo, se detalla la cantidad
de sólido eliminado por cada uno.
Tabla 5. 10 Contenido en sólidos del líquido sobrenadante en la sedimentación.
Original
Valor
AS-77
Reducción
TE 4700 SH
Valor Reducción
Valor
CS-204
Reducción
Sólidos totales
(mg/L)
39800
26400
33,6%
25700
35,5%
24800
37,70%
Sólidos
sedimentables
(mg/L)
900
392
93,3%
375
93,6%
20
99,7%
Sólidos en
suspensión
(mg/L)
5900
332
63,9%
232
74,8%
245
73,4%
33000
25700
22,2%
25000
24,2%
24505
25,8%
Sólidos
disueltos
(mg/L)
Sólidos
eliminados
(mg/L)
13400
14100
15000
Tabla 5. 10 (cont.) Contenido en sólidos del líquido sobrenadante en la
sedimentación.
Original
Valor
CMC
Reducción
Valor
Ca(OH)2
Reducción
Sólidos totales
(mg/L)
39800
23600
40,9%
25500
35,9%
Sólidos
sedimentables
(mg/L)
900
121
97,9%
235
95,9%
Sólidos no
sedimentables
(mg/L)
5900
232
74,8%
380
58,7%
Sólidos disueltos
(mg/L)
33000
23200
29,8%
24900
24,7%
Sólidos
eliminados
(mg/L)
16200
57
14300
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
En la Figura 5. 14 se muestra una comparación entre el porcentaje de
eliminación de las distintas fracciones de sólidos por los floculantes. Si se
comparan los resultados con los obtenidos a pH 13, no existen diferencias
d
significativas en lo que a eliminación de sólidos se refiere.
Sólidos sedimentación II
Sólidos totales (mg/L)
Sólidos sedimentables (mg/L)
Sólidos no sedimentables (mg/L)
Sólidos disueltos (mg/L)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
AS
AS-77
Figura 5. 14 Sólidos eliminados en la sedimentación a pH 7.
7
5.4.2.2 Materia orgánica
Tabla 5. 11.. Eliminación de la materia orgánica en la sedimentación.
AS-77
Original
Valor
Reducción
TE 4700 SH
Valor
Reducción
Valor
CS-204
Reducción
C inorgánico
(ppm)
1150
110
1100
4,1%
990
13,8%
102
1020
10,9%
C orgánico
(ppm)
7150
679
6790
5,0%
6130
14,2%
641
6410
10,3%
DQO (mg/L)
31000
29
29600
4,7%
26250
15,4%
291
29100
6,2%
DBO5
(mgO2/L)
4700
45
4540
3,5%
4060
13,7%
433
4330
7,8%
58
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Tabla 5. 11 (cont.) Eliminación de la materia orgánica en la sedimentación
Original
Valor
CMC
Reducción
Valor
Ca(OH)2
Reducción
C inorgánico
(ppm)
1150
970
15,2%
1050
8,4
4%
C orgánico
(ppm)
7150
5911
17,33%
6660
6,9
9%
DQO (mg/L)
31000
25800
17,0%
28700
7,5%
DBO5
(mgO2/L)
4700
3880
17,5%
4490
4,6
6%
En la tabla anterior (Tabla
Tabla 5. 11)) aparecen los resultados de los análisis de
materia orgánica realizados al líquido sobrenadante de los experimentos de
sedimentación a pH neutro.
neutro En la Figura 5. 15 aparece el porcentaje de
eliminación para los floculantes utilizados.
Materia orgánica
18%
CO
(mg/L)
16%
14%
DQO
(mg/L)
12%
DBO5
(mg/L)
10%
8%
6%
4%
2%
0%
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
AS-77
Figura 5. 15 Materia orgánica eliminada en la sedimentación.
59
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
La eliminación de materia orgánica es similar a ambos pHs. Esto es lógico, ya
que como se ha comentado anteriormente, la materia orgánica se encuentra en
los sólidos disueltos.
5.4.2.3 Sales disueltas y surfactante
Tabla 5. 12 Eliminación de sales y surfactante en la sedimentación a pH7.
AS-77
Original
Valor
Reducción
TE 4700 SH
Valor
Reducción
Valor
CS-204
Reducción
Cloruros
(mg/L)
500
415
17,5%
361
28,2%
322
36,0%
Sulfatos
(mg/L)
610
492
19,2%
430
29,4%
534
12,32%
Nitratos
(mg/L)
290
94
67,9%
54
81,5%
88
70,0%
Surfactante
catiónico
(mg/L)
1750
895
48,9%
681
61,1%
702
60,0%
Tabla 5. 12 (cont.) Eliminación de sales y surfactante en la sedimentación a pH7.
Original
Valor
CMC
Reducción
Valor
Ca(OH)2
Reducción
Cloruros
(mg/L)
500
421
16,30%
301
40,2%
Sulfatos
(mg/L)
610
411
32,51%
547
10,2%
Nitratos
(mg/L)
290
53
81,91%
101
65,5%
Surfactante
catiónico
(mg/L)
1750
653
62,71%
922
47,3%
60
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Sales y surfactantes
90%
Cloruros (mg/L)
Sulfatos (mg/L)
Nitratos (mg/L)
Surfactante (mg/L)
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
TE 4700 SH
CS-204
Ca(OH)2
CMC
AS-77
Figura 5. 16 Sales y surfactante eliminados en la sedimentación a pH7.
La Tabla 5. 12 y la Figura 5. 16 resumen la eliminación de sales disueltas y de
surfactante en el proceso
oceso de sedimentación.
El porcentaje de eliminación para los cloruros y sulfatos es similar al obtenido
a pH 13, siendo bajo para todos los floculantes.
En el caso de los nitratos, se obtienen mejores resultados a pH neutro que a
pH básico. Se alcanzan porcentajes de eliminación superiores al 80% con el TE
4700SH y la CMC.
En el surfactante no hay diferencia de eliminación apreciable respecto al pH
básico, manteniéndose un porcentaje entre el 47 y el 60%.
61
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.5 Filtración
Se analiza el filtrado de un sistema de filtración a vacío, similar al que se
describió en el apartado 4.2, tras la adición del coagulante.
5.5.1 Características físicas
Tabla 5. 13. Variación en las características del agua tras la filtración.
Inicial
Filtrado
Reducción
pH
12,73
12,22
4,0%
Conductividad (µ
µS/cm)
32500
24219
25,5%
Color (dilución 1:40)
Muy visible
Apreciable
-
Se obtiene una apreciable disminución en la conductividad eléctrica, debida
principalmente a la posible eliminación de parte del surfactante, adherido a los
sólidos eliminados en la filtración.
El pH no se ve afectado, ya que las especies que lo controlan siguen presentes
en el filtrado, al estar disueltas en el agua.
5.5.2 Sólidos
Tabla 5. 14. Sólidos eliminados en la filtración
Sólidos totales (mg/L)
Sólidos no sedimentables
(mg/L)
Sólidos sedimentables
(mg/L)
Sólidos disueltos (mg/L)
Inicial
Filtrado
Reducción
39800
31400
21,1%
900
620
32,5%
5900
3450
40,8%
33000
27330
17,3%
Como se aprecia en la Tabla 5. 14 la filtración no resulta especialmente
efectiva en este caso, ya que la mayor parte de los sólidos presentes en el
agua a tratar tienen un tamaño inferior al diámetro de poro (0,45 mm) utilizado
en este tipo de proceso. Los sólidos en suspensión y sedimentables no
eliminados son demasiado pequeños o son el resultado de la descomposición
de agregados más grandes, que sí serían filtrables, pero que con la presión se
deshacen en partículas más pequeñas.
62
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.5.3 Materia orgánica
Tabla 5. 15 Materia orgánica eliminada en la filtración
Original
Filtrado
Reducción
C inorgánico (ppm)
1150
748
17,4%
C orgánico (ppm)
7150
948
10,6%
DQO (mg/L)
31000
27400
11,8%
DBO5 (mgO2/L)
4700
4210
10,4%
Como cabe esperar, la mayor parte de la materia orgánica está presente en
partículas tan pequeñas que no es posible eliminarlas mediante la filtración
simple, resultando en una disminución de DQO y DBO5 de aproximadamente el
10%. Este porcentaje es del rango de los obtenidos en los procesos de
sedimentación, situándose a medio camino entre los floculantes que menos
eliminan y los que más.
5.5.4 Sales disueltas y surfactante
Tabla 5. 16 Sales disueltas y surfactante eliminados en la filtración
Original
Filtrado
Reducción
Cloruros (mg/L)
500
373
25,8%
Sulfatos (mg/L)
610
463
23,0%
Nitratos (mg/L)
290
123
58,0%
Surfactante catiónico
(mg/L)
1750
322
81,6%
Si se comparan los valores de la tabla 5.17 con los que se obtuvieron en los
experimentos de sedimentación, se obtiene una menor eliminación de sales,
especialmente los nitratos. El surfactante se elimina sustancialmente mejor
mediante filtración, principalmente por la oclusión de los poros por los
pigmentos y colorantes, a los que queda adherido.
63
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
5.6 Ultrafiltración
En los siguientes apartados se analiza el permeado obtenido en los
experimento de ultrafiltración. Como se describió anteriormente, se utilizan tres
tamaños de membrana para evaluar la importancia del tamaño de poro.
5.6.1 Características físicas
Tabla 5. 17. Variación en las características del agua tras la filtración.
Inicial
pH
12,73
Permeado
Permeado
Reducción
Reducción
300 kDa
150 kDa
12,21
Conductividad
32500
23700
(µ
µS/cm)
Muy
Color
Apreciable
(dilución 1:40) visible
Permeado
15 kDa
Reducción
12,31
3,30%
12,02
5,58%
11,62
27,08%
21700
33,23%
19310
40,58%
-
Apenas
visible
Transparente
La reducción de la conductividad es superior a la de la filtración.
Sin embargo, el pH no se ve afectado, manteniéndose casi constante sea cual
sea el tamaño de poro de la membrana.
5.6.2 Sólidos
Tabla 5. 18 Sólidos eliminados en la UF
Inicial
Sólidos
39800
totales (mg/L)
Sólidos
sedimentables 900
(mg/L)
Sólidos no
sedimentables 5900
(mg/L)
Sólidos
disueltos
33000
(mg/L)
Sólidos
eliminados
(mg/L)
Permeado
Permeado
Permeado
Reducción
Reducción
Reducción
300 kDa
150 kDa
15 kDa
30300
23,8%
20300
48,9%
13820
65,2%
3100
46,5%
2200
62,3%
60
98,9%
480
48,1%
300
68,5%
160
82,6%
25100
23,9%
17800
45,9%
13600
65,8%
9500
19500
25980
Como se aprecia en la Tabla 5. 18, la eliminación de sólidos en el tamaño más
grande de poro es inferior a la sedimentación, en el intermedio es similar y en
el pequeño es superior. La diferencia radica en la eliminación de los sólidos
disueltos, cuya eliminación es superior. Como es lógico, los resultados son
mejores que en la filtración simple, ya que el tamaño de poro es menor. En la
64
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Figura 5. 17 se representan los porcentajes de eliminación de sólidos de los
procesos de filtración
iltración y ultrafiltración.
Sólidos filtración
100%
Sólidos totales (mg/L)
90%
Sólidos sedimentables (mg/L)
80%
Sólidos no sedimentables (mg/L)
70%
Sólidos disueltos (mg/L)
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Filtración
UF 300 kDa
UF 150 kDA
UF 15 kDa
Figura 5. 17 Eliminación de sólidos en procesos de filtración
5.6.3 Materia orgánica
Tabla 5. 19 Materia orgánica eliminada en UF.
Inicial
C
inorgánico 1150
(ppm)
C
orgánico 7150
(ppm)
DQO
31000
(mg/L)
DBO5
(mgO2/L)
4700
Permeado
Permeado
Permeado
Reducción
Reducción
Reducción
300 kDa
150 kDa
15 kDa
932
18,8%
675
41,2%
403
64,9%
2390
66,6%
1730
75,8%
153
97,9%
11800
62,1%
8520
72,6%
1970
93,6%
1810
61,5%
1310
72,1%
303
93,6%
Tal y como se vio en apartados anteriores, la mayor parte de la materia
orgánica se encuentra en los sólidos disueltos. Como con la ultrafiltración se
eliminan estos sólidos en mayor medida que con los otros procesos, se obtiene
una mayor reducción de la materia orgánica presente. Cabe destacar que con
el tamaño de poro más pequeño de los disponibles se obtiene una eliminación
de más del
el 90% de la DQO y la DBO5 presentes, así como del carbono
65
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
orgánico. En la Figura 5. 18 se puede ver la gran diferencia que hay entre la
filtración simple
ple y la ultrafiltración.
Materia orgánica filtración
100%
90%
CO (mg/L)
80%
DQO (mg/L)
70%
DBO (mg/L)
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Filtración
UF 300 kDa
UF 150 kDA
UF 15 kDa
Figura 5. 18 Eliminación de materia orgánica en procesos de filtración
5.6.4
.4 Sales disueltas y surfactante
Tabla 5. 20 Sales disueltas y surfactante eliminados en la filtración
Inicial
Permeado
Permeado
Permeado
Reducción
Reducción
Reducción
300 kDa
150 kDa
15 kDa
Cloruros
(mg/L)
500
63
87,6%
50
90,0%
44
91,2%
Sulfatos
(mg/L)
610
23
96,3%
13
97,8%
1,20
99,8%
Nitratos
(mg/L)
290
9
97,1%
4
98,8%
0,39
99,8%
Surfactante
catiónico 1750
(mg/L)
39
97,8%
8
99,5%
0,71
99,9%
66
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
En la Figura 5. 19 se comprueba la alta efectividad de la ultrafiltración en la
eliminación de las sales disueltas en el efluente en comparación con los otros
procesos. El surfactante también se elimina casi por
por completo, aun
a
utilizando
un sistema de filtración simple.
Sales disueltas y surfactante
Cloruros (mg/L)
Nitratos (mg/L)
Sulfatos (mg/L)
Surfactante (mg/L)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Filtración
UF 300 kDa
UF 150 kDA
UF 15 kDa
Figura 5. 19 Eliminación de sales disueltas y surfactante en procesos de filtración
67
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
68
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
6. IMPLANTACIÓN INDUSTRIAL
En este capítulo se realizará la simulación del proceso de implantación en una
industria de reciclado de plástico. Para ello, se ha trabajado con los miembros
de la empresa Olax22 en el diseño de la planta, el escalado de los equipos y el
cálculo de los flujos entre los mismos. Posteriormente, se hace un cálculo de
los costes de implantación y operación de los tratamientos adoptados en el
Apartado 6.
6.1 Planta de tratamiento
En la figura 6.1 se muestra un esquema de la planta de tratamiento de plástico,
con las corrientes que se utilizan.
Figura 6. 1 Esquema de la planta de tratamiento de plástico
Como se puede ver en la figura anterior, si el agua no se reutilizase, se
incrementaría el consumo de agua bruta un 200%, de 0,5 m3/h a 1,5m3/h.
Con esta cantidad de agua se pueden limpiar entre 200 y 300 kg de plástico
por hora, dependiendo de la naturaleza del material.
Hay que tener en cuenta que se produce una pérdida de agua de
aproximadamente 0,5 m3/h de agua. Esta pérdida es resultado de la humedad
del plástico, pérdidas en el reactor (salpicaduras, humedad en las paredes), en
la malla separadora y en las conducciones. La mayor parte se recupera en el
proceso de secado del plástico, por lo que se puede reintroducir en el proceso,
aunque esto se escapa del presente trabajo.
69
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
6.2 Dimensionado de equipos
Para el cálculo de los equipos se debe tener en cuenta un caudal de diseño,
que como se citó en el apartado anterior es de 1 m3/h. Por motivos de
seguridad y de posibles ampliaciones, se estimarán 1,5 m3/h.
6.2.1 Sedimentación
En este caso hacen falta los siguientes equipos:
•
Equipos de dosificación de reactivos (depósito y bomba).
•
Tanques de mezclado (con agitación).
•
Bomba de alimentación al sistema. Se colocarán dos bombas en
paralelo, de forma que el proceso no se pare durante operaciones de
mantenimiento.
•
Sedimentador. Se ha seleccionado un modelo rectangular simple, similar
a los desarenadores. Asimismo, para reducir el tiempo de permanencia
se utilizarán dos sedimentadores en paralelo, con uno en reserva para
poder llevar a cabo tareas de mantenimiento. Un esquema del
sedimentador con sus equipos auxiliares se puede ver en la Figura 6.2
Figura 6. 2 Esquema de los equipos de coagulación.floculación
A la hora de hacer cálculos, se asemejará el sedimentador a un paralelepípedo,
de forma que las dimensiones del mismo sean las de la Tabla 6. 1. Éstas se
obtienen fijando el ancho del equipo, y utilizando las relaciones entre las
dimensiones, caudal y velocidad de sedimentación para el resto de
magnitudes.
Tabla 6. 1 Dimensiones de los sedimentadores
3
Volumen (m )
5,4
Ancho (m)
1,2
Largo (m)
4,5
Profundidad (m)
1,0
Tiempo de residencia (h)
5,2
70
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
Para el cálculo de las bombas de coagulante y floculante, la dosificación de
cada compuesto se realiza a partir de una disolución de concentración de
10000 mg/L.
El volumen del depósito se obtiene para el consumo total de reactivos durante
un período de 5 días.
Tabla 6. 2 Dimensionamiento de los equipos auxiliares
Equipo
Bomba coagulante
Bomba floculante
Cnecesaria (mg/L)
100
100
Necesidad diaria
(L)
Depósito coagulante
360
Depósito floculante
360
Qlínea (L/h)
1500
Qdosificación (L/h)
15
15
Necesidad
5 días (L)
1800
1800
6.1.2 Ultrafiltración
En este caso hay que realizar la extrapolación de los resultados obtenidos para
el caudal de permeado en los apartados anteriores a membranas de mayor
tamaño que la utilizada en los experimentos. El caudal de diseño será el de
permeado, que la empresa fija en un 10% del caudal total, sobredimensionado
(0,15 m3/h).
Para la membrana seleccionada, de 15 kDa, las características del equipo
utilizado en el laboratorio son las de la tabla 6.3:
Tabla 6. 3 Dimensiones de la membrana utilizada en el laboratorio
Longitud (m)
Diámetro (m)
Diámetro de tubo (mm)
Número de tubos
FLUX (l/m2.h)
0,60
0,05
2,0
20
3,70
A la hora de un tratamiento industrial, sería más útil utilizar membranas más
grandes. Como orientación, se toman membranas de 1 metro de longitud
(recomendadas por el fabricante). Para el cálculo del resto de magnitudes, se
toma como constante el FLUX, obteniéndose el diámetro de la membrana, y
con él, el número de tubos que tendrá.
Tabla 6. 4 Dimensiones de la membrana utilizada en la planta
Longitud (m)
Diámetro (m)
Diámetro de tubo (mm)
Número de tubos
FLUX (l/m2.h)
1,0
0,2
2,0
80
3,70
En estas condiciones hacen falta 80 membranas de ultrafiltración para
conseguir un caudal de salida de 0,15 m3/h.
71
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
6.3 Estudio económico
Se utiliza la guía proporcionada por Fernández (2004) para la estimación de
costes, basada en la obtención de las distintas partidas que componen los
costes a partir del porcentaje del inmovilizado (presupuesto total del proyecto).
Los únicos costes de operación que se obtienen directamente son los de los
servicios auxiliares, en forma de energía eléctrica. Estrictamente, este método
sólo se puede aplicar a plantas enteras, pero se ha realizado para dar una idea
de lo que cuesta esta parte del proceso.
El coste de producción está constituido por varias partidas que pueden
depender o no de la capacidad productiva (costes fijos o costes variables).
Entre estas partidas encontramos:
Materias primas
Laboratorio
Mano de obra directa
Envasado
Patentes
Expedición
Mano de obra indirecta
Directivos y técnicos
Servicios generales
Amortización
Suministros
Alquileres
Mantenimiento
Impuestos
Seguros
No se han calculado los Gastos Generales de Administración y Ventas, ya que
si no es muy estricto calcular los costes de fabricación de solamente una parte
de la planta, calcular los Gastos Generales no tiene sentido, ya que se refieren
al producto en general, y dependen de los costes de fabricación totales, de los
que no se puede tener conocimiento. Por supuesto, se podría hallar la parte
correspondiente al sistema considerado, pero carecería de sentido, ya que,
como su nombre indica, son gastos generales, y no de cada proceso. Por otra
parte, como materia prima se incluyen los productos químicos esenciales y de
uso continuado (coagulante y floculante). De esta forma, en el presente
apartado sólo se considerarán los costes de operación de aquellas partidas que
contribuyen directamente al funcionamiento del proceso productivo (costes
directos de operación) y que son las siguientes:
Materias primas
Amortización
Mano de obra directa
Suministros
Servicios generales
Mantenimiento
72
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
6.3.1 Consideraciones iniciales
Como se ha indicado, a la hora de hacer la estimación de costes, hay que
basarse en el montante del inmovilizado. En este caso, este concepto
corresponde al coste de los equipos e instalaciones necesarios en cada
proceso.
6.3.1.1 Sedimentación
La construcción en hormigón recubierto de los tres sedimentadores supone un
coste de 5470€.
Los equipos auxiliares anteriormente citados suman un total de 1880€.
6.3.1.2 Ultrafiltración
El coste de este quipo, incluyendo los bastidores para soportar las membranas
seria de 32000€.
Los equipos auxiliares imputables a este proceso será la bomba de impulsión
(por duplicado) y el sistema de limpieza. El coste de estos equipos se estima
en 1240€.
6.3.2 Cálculo de los costes de operación
6.3.2.1 Materia prima
Como materias primas se incluyen el coagulante (Fe2(SO4)3), cuyo precio es de
0,5 €/kg y el floculante seleccionado, TE 4700SH, con un precio de 1,25 €/kg.
Según los caudales mostrados en la Tabla 6.2, el consumo diario será el de la
Tabla 6.5.
Tabla 6. 5 Consumo diario de compuestos químicos
Coagulante Fe2(SO4)3
Floculante TE 4700SH
Consumo diario (kg)
3,60
3,60
6.3.2.2 Mano de obra directa
Como mano de obra directa se considera la labor de aquellos operarios cuya
labor se encuentre integrada en el proceso de producción. Se considera
suficiente la presencia de un operario, que además sólo destinará un 10% de
su tiempo al trabajo en los procesos de tratamiento del efluente. Según el
Convenio Colectivo General de la Industria Química, se asigna a los
trabajadores a tiempo completo un salario mínimo anual de 13529 €. Como se
trabajan 24 horas al día, los siete días de la semana, serán necesarios 5
empleados en la instalación en turnos rotatorios (40 horas semanales por
trabajador), según el cálculo:
73
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
í7E
ℎD57E
7 E;!7:7 ∙ 24
í7 = 4,2 957B7C7 D5;E ≈ 5 957B7C7 D5;E
957B7C7 D5;E =
ℎD57E
40 E;!7:7
6.2.2.3 Servicios generales
En servicios generales se incluyen aquellos suministros de bienes tales como
agua corriente, vapor, electricidad… necesarios para el funcionamiento del
sistema. En este proceso se utiliza tan solo el servicio eléctrico dentro de este
apartado.
El coste total del servicio eléctrico se calcula como la suma de un coste fijo y
uno variable:
Coste = Coste fijo + Coste variable
donde:
Coste variable = Potencia instalada x Término de potencia
Coste variable = Consumo eléctrico x Término de energía
Por lo tanto, este coste depende de los equipos instalados.
6.3.2.4 Suministros
Se estimarán sus gastos anuales como 1,5 % del inmovilizado (Fernández,
2004).
6.3.2.5 Mantenimiento
Los gastos de mantenimiento hacen referencia a aquellos costes relacionados
con las revisiones periódicas y la sustitución de elementos del sistema, a fin de
mantener en condiciones aptas dichos elementos.
Los elementos que requieren un mantenimiento más frecuente son los equipos
rotatorios, es decir, las bombas y los compresores, así como las membranas de
ultrafiltración.
Se estimará como 4% del inmovilizado anualmente para la sedimentación, y del
8% para la ultrafiltración, incluyendo los equipos de limpieza.
6.3.2.6 Amortización
La amortización es la deducción, como gasto, de la depreciación que sufren los
distintos elementos del activo, tanto material como inmaterial, debido a su uso.
En este caso se ha utilizado un coeficiente de amortización del 15%.
74
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
6.3.3 Costes anuales
En la tabla siguiente se detallan los costes de los diferentes apartados para los
procesoss estudiados. En la figura se observa la aportación de cada partida al
coste anual de operación.
Tabla 6. 6 Costes anuales de los procesos estudiados
Coste (€/año)
Concepto
Sedimentación Ultrafiltración
Materia prima
2140
0
Mantenimiento
295
3200
Personal
Servicios
generales
Amortización
6765
6765
2080
2560
1100
4800
Suministros
110
485
Total
12490
17810
Como se puede observar en la figura 6.3,, la partida que más influencia tiene en
los costes anuales de explotación es la mano de obra, seguida de los servicios
generales. En la ultrafiltración cobra importancia la amortización de los equipos,
ya que estos tienen un coste muy superior a los utilizados en la sedimentación.
Costes de operación sedimentación
2,4%
0,9%
Mantenimiento
18,0%
2,7%
Personal
17,1%
8,8%
16,6%
Costes de operación UF
Servcios generales
54,2%
Amortización
27,0%
14,4%
Suministros
Materia prima
Figura 6. 3 Distribución de los costes de operación para cada proceso.
75
38,0%
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
La inversión global del tratamiento de agua residual del tratamiento de plástico
es de aproximadamente 40600 € (Apartado 6.3.1),, y el coste de operación de
cada apartado el que se muestra en la Tabla 6.7. En la Figura 6.. aparece la
distribución de ambos procesos combinados.
Tabla 6. 7 Costes de operación para el proceso global de tratamiento
Concepto
Coste (€/año)
Materia prima
2140
Mantenimiento
3495
Personal
13530
Serv
Servicios
generales
4640
Amortización
5900
Suministros
590
Total
30300
Costes de operación
1,9%
Mantenimiento
7,1%
11,5%
19,5%
Personal
Servcios generales
44,7%
15,3%
Amortización
Suministros
Materia prima
Figura 6. 4 Distribución de costes de operación para la combinación de los procesos
6.3.4 Ahorro de surfactante
Como se puede observar en el Apartado 5.4.3,
4.3, el líquido sobrenadante tiene
una concentración de 680 mg/L de surfactante, que se reintroduce en el
proceso productivo. De esta forma se recuperan 24 kg de surfactante a día. Al
precio que se compra este, el tratamiento
tratamiento de agua supone un ahorro anual de
unos 40000 €.
76
Tratamiento del efluente en una instalación de reciclaje de plástico con tinta
Curso 2012-2013
7. CONCLUSIONES
En este apartado se analizan los resultados obtenidos, con el fin de comprobar
si se cumplen los objetivos planteados en el Capítulo 3.
7.1 Reutilización del agua tratada
En primer lugar, se trata la reintroducción del agua tratada en el proceso
productivo. Recapitulando los objetivos de esta parte del tratamiento, se debe
conseguir un agua que no tenga color, ni sólidos en suspensión ni gruesos
(sedimentables), manteniendo elevada la concentración de surfactantes,
compuestos por lo general muy caros. Para ello se implantará un tratamiento lo
más sencillo posible, basado en métodos físico-químicos: filtración o
sedimentación previa adición de coagulantes (y floculantes en el caso de la
sedimentación).
Hay que indicar es que la neutralización del efluente no es necesaria, ya que
un pH básico se adapta mejor a las características del proceso de deinking
(Chotipong et al., 2006). Además, el pH no es un factor influyente en estos
procesos, como se puede apreciar en el apartado 5.3 y 5.4. De esta forma, el
coagulante utilizado es el Sulfato férrico, cuya concentración óptima se
determinó en el Apartado 5.3 en 100 ppm.
El primer punto de interés es el color de la disolución. En el caso de la filtración
no se eliminan todos los pigmentos, por lo que el color es aún parecido al del
efluente inicial. En el caso de la sedimentación se elimina el color verdoso
inicial, quedando un líquido anaranjado, fruto de los sólidos disueltos
(colorantes). El color no se elimina independientemente del floculante o la dosis
empleados, por lo que este no es un punto importante a la hora de seleccionar
uno u otro.
Desde el punto de vista de la eliminación de sólidos en suspensión, el proceso
de filtración es mucho menos efectivo que la sedimentación (21,1% frente a un
promedio para los floculantes del 64%). Entre los floculantes empleados, no
hay grandes diferencias, ya que casi todos eliminan aproximadamente el 65%
de los sólidos. El único que se desvía es el AS-77, con tan sólo el 55% de
eliminación. Por lo tanto, este apartado sirve para descartar el uso de este
floculante.
La eliminación de sólidos sedimentables es inefectiva en la filtración, al
romperse los sólidos por efecto de la presión. Como es lógico, los sólidos
sedimentables se eliminan por completo en los procesos de sedimentación. No
existen diferencias entre el empleo de los diferentes floculantes, por lo que hay
que fijarse en otros aspectos para determinar cuál de ellos es el que se debe
utilizar. Para ello, se comparan los sólidos disueltos, siendo los eliminados con
el Ca(OH)2 (22,1%) muy inferiores a los eliminados con los otros tres
(aproximadamente el 40%).
Respecto a la eliminación de surfactante, la filtración deja tan sólo el 19% del
surfactante en el líquido filtrado. Desde el punto de vista de la recuperación,
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este valor es insuficiente. En la sedimentación se elimina aproximadamente el
60% del surfactante. Esta eliminación es superior a la que se desea, pero
significa la recuperación del 40% del compuesto. El resto de surfactante podría
ser recuperable mediante la reabsorción del mismo a partir del sólido seco,
proceso que actualmente se encuentra en estudio por parte de Olax22.
Por otra parte, el problema del tratamiento es la baja eliminación de la materia
orgánica. El COT se reduce en un 14,5% aproximadamente y la DQO en un
15%. Como esta materia orgánica procede de los pigmentos y de los
surfactantes, habrá que estudiar si los restos afectarán al proceso productivo.
Para comprobar la utilidad del tratamiento se deberían realizar pruebas m´s
exhaustivas del proceso utilizando el sobrenadante y mezclas en distinta
proporción de sobrenadante y agua limpia.
Las sales presentes en el efluente proceden también de los pigmentos, por lo
que su eliminación también es importante. Con el tratamiento de
sedimentación, se elimina aproximadamente un 40% de las sales, llegando al
61% de los nitratos. Al igual que ocurre con la materia orgánica, se debería
estudiar su influencia en el proceso.
Por lo tanto, se recomienda el uso de la sedimentación, ya que es un proceso
muy sencillo, de fácil implantación y control. Es lo suficientemente efectivo para
que el agua una vez tratada sea reutilizada en el deinking.
Como floculante se debería utilizar el TE 4700SH. Aunque el CS-204 y la
Carboximetilcelulosa dan resultados similares, el TE 4700SH es más
económico que la CMC, y la dosis necesaria es inferior a la del CS-204, 100
ppm frente a 150 ppm, tal y como aparece en el apartado 5.3, en la Tabla 5. 5.
Para este floculante se obtiene una reducción del 44,5% en los sólidos totales,
la eliminación casi por completo de los sedimentables (99,23%), un 64,7% de
reducción de los sólidos en suspensión y un 34,3% de los sólidos disueltos.
7.2 Vertido del agua tratada
Para el vertido, hay que remitirse a la Ley que dicta las concentraciones
aceptables por los diferentes contaminantes presentes en el agua a tratar,
cuyos límites se muestran en la Tabla 7. 1. El mayor problema que presenta el
agua con tinta y surfactante es el elevado valor de DQO, color y la presencia
del propio surfactante.
El problema principal que presentan los tratamientos de filtración y
sedimentación (a cualquier pH) es que no eliminan la materia orgánica, ya que
esta se presenta en forma de sólidos disueltos, menores de 0,45µm de
diámetro. El resto de parámetros sí que se cumplen, excepto la conductividad,
producto también de la elevada concentración de sólidos disueltos.
El tratamiento que más se acerca a los valores que indica la Ley es la
ultrafiltración. Los tamaños más grandes de membrana no consiguen eliminar
la materia orgánica de manera eficiente como para que la concentración se
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acerque a la exigida por la legislación. Sin embargo, con la membrana de 15
kDa la DQO ya se acerca al rango permitido, siendo aún así el doble de la
exigida.
Los sólidos y sales disueltas estudiados quedan por debajo de los límites
establecidos con cualquier tamaño de membrana que se use. Por otra parte, el
surfactante sólo se elimina lo suficientemente con la membrana más pequeña.
Este surfactante quedará en la solución concentrada (rechazo) que sale de la
membrana, siendo su recuperación objeto de estudio por parte de Olax22 S.L,
como se indicó anteriormente.
El color se elimina mucho mejor en la ultrafiltración, siendo inapreciable en el
permeado de la ultrafiltración con la membrana de 15 kDa de tamaño de poro.
Tabla 7. 1 Comparación entre la legislación y el permeado a 15 kDa
Parámetro
Concentración media
diaria
Concentración tras UF a
15 kDa
pH
5,5-9
11,6
Conductividad (mS/cm)
3000
19310
500
160
15
60
DQO (mg/l)
1000
1970
Cloruros (mg/l)
800
44
Sulfatos (mg/l)
1000
1,20
Nitratos (mg/l)
50
0,39
Surfactante (mg/l)
6
0,71
Sólidos en suspensión
(mg/l)
Sólidos sedimentables
(mg/l)
Para solucionar los problemas que no se consigue eliminar con la ultrafiltración
se podrían efectuar las siguientes acciones:
•
•
•
El pH superior al límite no es un problema, porque se puede neutralizar
la corriente añadiendo un ácido, como clorhídrico o sulfúrico ya que la
concentración de ambos iones es muy inferior al límite.
La conductividad eléctrica es muy superior al límite, fruto de sales
disueltas que no han sido estudiadas (Na+, CaCO32-…). Se podría
reducir mediante el uso de Ósmosis Inversa.
Como la concentración de surfactante es lo suficientemente baja, se
puede utilizar un tratamiento biológico que elimine la carga orgánica
(DQO) en exceso, sin presentar problemas para los microorganismos.
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