Facultad de Ciencia, Tecnología y Ambiente Departamento de Ciencias Básicas Coordinación de Ciencias Naturales INFORME DE LABORATORIO DE QUÍMICA AMBIENTAL I No 6: “PRUEBA DE JARRAS” INTEGRANTE: Alina Mauxira Alemán Zeledón DOCENTE: Dra. Indiana Auxiliadora García Granados CARRERA: Ingeniería en Calidad Ambiental GRUPO: 0311 TURNO: Vespertino Managua, Nicaragua Jueves, 08 de abril del 2015 TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ......................................................................................................... 5 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1 2. OBJETIVOS ................................................................................................ 2 2.1. GENERAL ............................................................................................. 2 2.2. ESPECÍFICOS ...................................................................................... 2 3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 3 3.1. DEFINICIÓN DE TURBIDEZ ................................................................. 3 3.2 pH.......................................................................................................... 3 3.3 TRATAMIENTOS PARA LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA ................. 3 3.4.1 COAGULACIÓN ............................................................................. 4 3.4.2 FLOCULACIÓN ................................................................................. 5 3.4.3 4. SEDIMENTACIÓN .......................................................................... 5 MARCO METODOLÓGICO ........................................................................ 7 4.1 MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS ............................................ 7 4.2 PROCEDIMIENTO.................................................................................... 7 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................... 9 6. CONCLUSIONES ..................................................................................... 12 7. LISTA DE REFERENCIAS ........................................................................ 13 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 5.1 Resultados de la prueba de jarras ...................................................... 9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 5.1 Neutralización de la carga de la partícula coloidal ............................ 9 Figura 5.2 Gráfico de Turbiedad vs Dosis ........................................................ 10 Figura 5.3 Gráfico de Dosis de Al2(SO4)3 .18 H2O vs pH .................................. 11 Figura 5.4 Gráfica de pH vs Turbiedad ............................................................ 11 RESUMEN Este laboratorio tuvo como propósito el determinar experimentalmente la combinación óptima de dosis de coagulante y pH de una muestra de agua cruda. Se llevó a cabo mediante una prueba de jarras que consta de tres partes, primero la coagulación, en donde se adicionaron diferentes dosis de coagulante a los seis beakeres, mientras se agitaba a 200 rpm, luego se disminuyó a 15 rpm y se dejó 20 minutos para la floculación, al ver los flóculos formados se dejó media hora más para la sedimentación. Y se procedió a medir la turbiedad y el pH de cada muestra, donde se encontró que en la jarra cuatro y cinco la turbiedad valía 1 NTU, por tanto la dosis mínima era uno de éstos valores del cual se seleccionó el 4 debido a que el pH era menos ácido. La dosis óptima encontrada para la muestra de agua cruda analizada fue de 120 mg/L de Al2(SO4)3 .18 H2O, lo que la llevó a una turbiedad de menor que 1 NTU, que fue la mínima turbiedad a la que se logró llevar con las dosis de coagulante utilizadas en la prueba de jarras. 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de esta práctica fue determinar experimentalmente la combinación óptima de dosis de coagulante y pH de una muestra de agua cruda. La prueba de jarras es la técnica más extensamente usada para determinar la dosis de químicos y otros parámetros para la potabilización del agua. En ella se tratan de simular los procesos de coagulación, floculación y sedimentación a nivel de laboratorio. Es importante para el ingeniero en calidad ambiental ya que trabajará en la potabilización del agua donde El principal objetivo, es la protección de la salud pública, eliminando o reduciendo a una concentración mínima los componentes peligrosos. Éste deberá ser capaz de usar la prueba de jarras para mayor exactitud en el tratamiento empleado por las plantas potabilizadoras de agua pues estas deben garantizar la calidad del agua para que esta pueda ser consumida por la población humana sin producir efectos adversos a su salud. 1 2. OBJETIVOS 2.1. GENERAL Determinar experimentalmente la combinación óptima de dosis de coagulante y pH de una muestra de agua cruda mediante la prueba de jarras. 2.2. ESPECÍFICOS Determinar la dosis necesaria en el agua cruda analizada para disminuir la turbiedad de ésta cuanto sea posible sin que el pH se aleje de los parámetros permisibles del mismo para el agua potable. Realizar mediciones del pH cuando se encuentra la dosis óptima de coagulante necesario para disminuir la turbiedad hasta la más baja posible. 2 3. MARCO TEÓRICO De acuerdo con Lenntech (2013): 3.1. DEFINICIÓN DE TURBIDEZ La turbidez es una expresión de la propiedad o efecto óptico causado por la dispersión o interferencia de los rayos luminosos que pasan a través de una muestra de agua; en otras palabras, la turbiedad es la propiedad óptica de una suspensión que hace que la luz sea remitida y no transmitida a través de la suspensión. La turbidez en un agua puede ser causada por una gran variedad de materiales en suspensión, que varían en tamaño desde dispersiones coloidales hasta partículas gruesas, entre otros, arcillas, limo, materia orgánica e inorgánica finamente dividida, organismos planctónicos, microorganismos, etc. La determinación de turbidez es de gran importancia en aguas para consumo humano y en una gran cantidad de industrias procesadoras de alimentos y bebidas. Los valores de turbidez sirven para determinar el grado de tratamiento requerido por una fuente de agua cruda, su filtrabilidad y, consecuentemente, la tasa de filtración más adecuada, la efectividad de los procesos de coagulación, sedimentación y filtración, así como para determinar la potabilidad del agua 3.2 pH El pH es un indicador de la acidez de una sustancia, siendo ésta una de las propiedades más importantes del agua. El rango varía de 0 a 14, siendo 7 el rango promedio (rango neutral). Un pH menor a 7 indica acidez, mientras que un pH mayor a 7, indica un rango básico. Por definición, el pH es en realidad una medición de la cantidad relativa de iones de hidrógeno e hidróxido en el agua (Andreo, 2011). Se considera que el pH de las aguas tanto crudas como tratadas debería estar entre 6,5 y 8,5. Por lo general, este rango permite controlar sus efectos en el comportamiento de otros constituyentes del agua. El pH tiene una gran influencia en la coagulación. Valores por encima o por debajo del pH óptimo producen malos resultados (Andreo, 2011). 3.3 TRATAMIENTOS PARA LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA Para lograr la potabilización de agua es preciso someter a la misma a varios tratamientos elementales, que comprenden la clarificación, desinfección y acondicionamiento químico y 3 organoléptico. De este modo la clarificación incluye la coagulación – floculación, proceso mediante el cual las partículas presentes en el agua se aglomeran formando pequeñas masas que presentan un peso específico mayor que el del agua, de esta forma las partículas sedimentan y permiten que el agua alcance las características idóneas para el consumo humano (Lenntech, 2013). 3.4.1 COAGULACIÓN Las partículas que forman la turbiedad y el color de las aguas naturales, poseen cargas eléctricas que normalmente son negativas, pero como también existen cargas eléctricas positivas, se puede afirmar que el agua y las soluciones son eléctricamente neutras. Las cargas eléctricas de las partículas generan fuerzas de repulsión entre ellas, por lo cual se mantienen suspendidas y separadas en el agua. Es por esto que dichas partículas no se sedimentan (Lenntech, 2013). Mediante el proceso de coagulación se neutraliza la carga eléctrica del coloide anulando las fuerzas electrostáticas repulsivas, esta neutralización suele realizarse aplicando al agua determinadas sales de aluminio o hierro (coagulantes); de forma que los cationes trivalentes de aluminio o hierro neutralizan las cargas eléctricas negativas que suelen rodear a las partículas coloidales dispersas en el agua (Gutiérrez, 1994). La coagulación y la floculación tienen lugar en sucesivas etapas, de forma que una vez desestabilizadas las partículas, la colisión entre ellas permita el crecimiento de los microflóculos, apenas visibles a simple vista, hasta formar mayores flóculos. Al observar el agua que rodea a los microflóculos, ésta debería estar clara; si esto no ocurre, lo más probable es que todas las cargas de las partículas no han sido neutralizadas y por tanto la coagulación no se ha completado, en este caso será necesario añadir más coagulante (Valendia, 2013). 3.4.1.1 Etapas del proceso de coagulación Primera Fase: Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas existentes en la suspensión. Segunda Fase: Precipitación y formación de componentes químicos que se polimerizan. Tercera Fase: Adsorción de las cadenas poliméricas en la superficie de los coloides. Cuarta Fase: Adsorción mutua entre los coloides. Quinta Fase: Acción de barrido. Cuando se agrega un coagulante al agua, éste se hidroliza y puede producir la desestabilización de las partículas por simple adsorción específica de los productos de hidrólisis, generalmente con carga positiva, en la doble capa que rodea a los coloides 4 negativamente cargados (compresión de la doble capa o neutralización de las cargas), o por interacción química con los grupos ionizables de su superficie (Lenntech, 2009). La teoría química y la de la doble capa son las más aceptadas universalmente y explican la estabilidad de los coloides (Lenntech, 2009). 3.4.2 FLOCULACIÓN La formación de los flóculos es consecuencia de la agrupación de las partículas descargadas al ponerse en contacto unas con otras. Puede ser causada por la colisión entre las partículas, debido a que cuando se acercan lo suficiente las superficies sólidas, las fuerzas de Van der Waals predominan sobre las fuerzas de repulsión, por la reducción de la carga eléctrica que trae como consecuencia la disminución de la repulsión eléctrica (Valendia, 2013). La floculación puede ser ortocinética, que es la inducida por la energía comunicada al líquido por fuerzas externas (paletas giratorias) y es cuando los contactos son producidos por el movimiento del fluido, o pericinética que es la promovida dentro del líquido por el movimiento que tienen las partículas en él, debido a la agitación y por la gravedad y el peso de las partículas, las que se aglomeran al caer y es cuando el contacto entre las partículas es producido por el movimiento Browniano (Valendia, 2013). El coagulante aplicado da lugar a la formación del flóculo, pero es necesario aumentar su volumen, su peso y especialmente su cohesión. Para favorecer el engrosamiento del flóculo será necesaria una agitación homogénea y lenta del conjunto, con el fin de aumentar las posibilidades de que las partículas descargadas eléctricamente se encuentren con una partícula flóculo (Valendia, 2013). 3.4.3 SEDIMENTACIÓN Según Valendia (2013): Se entiende por sedimentación a la remoción, por efecto gravitacional de las partículas en suspensión en un fluido y que tengan peso específico mayor que el fluido. En un determinado intervalo de tiempo no todas las partículas en suspensión sedimentan. Justamente las que sedimentan en un intervalo de tiempo elegido son llamadas “sólidos sedimentables”. La sedimentación como tal, es en esencia un fenómeno netamente físico. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. 5 Las partículas en suspensión sedimentan en diferentes formas, dependiendo de las características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos referirnos a la sedimentación de las partículas discretas, sedimentación de partículas floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida. Partículas discretas: son aquellas partículas que no cambian de características, forma, tamaño y densidad durante la caída. Partículas floculentas: son aquellas producidas por la aglomeración de las partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A diferencia de las partículas discretas, las características de este tipo de partículas; forma, tamaño y densidad si cambian durante la caída. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de aguas, como proceso intermedio entre la coagulación- floculación y la filtración rápida. Partículas por caída libre e interferida: cuando la concentración de partículas es pequeña, cada partícula sedimenta discretamente, como si estuviera sola, no siendo estorbadas por otras partículas. Partiendo del reposo, la velocidad de una partícula bajo la gravedad en un líquido aumentara al ser la densidad de la partícula mayor que la densidad del líquido. En cambio, cuando hay altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre un depósito masivo en un lugar individual. 6 4. MARCO METODOLÓGICO 4.1 MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS pHmetro Turbidímetro Caolin 7 Beakeres de 1000 mL pHmetro Sulfato de Aluminio 7 Beakeres de 25 mL Conductivímetro 7 Beakeres de 50 mL Cronómetros 7 Pipetas de 50 mL 3 Probeta de 1000 mL 4.2 PROCEDIMIENTO El agua cruda se almacenó en un contenedor de 20 L y consistió de agua cruda de un río a la cual se le adicionó arcilla y ácido húmico para incrementar la turbiedad y la intensidad del color. Se determinó el pH y la dosis óptima de coagulante para el agua cruda que se analizó. El experimento se llevó a cabo usando sal de aluminio. Se mezcló el agua en el contenedor antes de usar. Se llenaron siete beakeres grandes con un litro de agua cruda, usando la probeta graduada plástica de 1000 mL. Se colocaron los beakeres en el equipo mezclador, se midió el pH y la turbiedad del agua cruda. Se rotularon los beakeres con el pH inicial, turbiedad y la dosis de coagulante. Se adicionó la cantidad requerida de coagulante (0, 1, 2, 4, 8, 12 o 20 mL) a cada beaker mientras se agitaba vigorosamente a 200 rpm. Se adicionó el coagulante tan rápido como fue posible. Se usaron los beakeres de 100 mL para adicionar las dosis. Después de adicionado, se continuó el rápido mezclado por 30 segundos más. Se puso el agitador en 130 rpm y se dejó que se agitara la solución lentamente por un período de 20 minutos. 7 Se examinó el fenómeno de floculación en los beakeres, se note la aparición de los primeros flóculos visibles, forma de los flóculos y tamaño de estos. Después de 20 minutos de un mezclado lento, se apagó el equipo y se dejó que los flóculos se sedimentaran por 30 minutos. Se tomaron 50 mL de muestra por medio de una pipeta dos cm debajo de la superficie del agua y transfiérala a un beaker rotulado de 50 mL. Se usó una nueva pipeta por cada beaker. Se midió el pH, y la turbiedad residual de cada muestra. 8 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se realizó la prueba de jarras para determinar qué dosis de coagulante, sulfato de aluminio, era la óptima para llevar la turbiedad del agua cruda analizada a 1 NTU Los resultados obtenidos después de realizar la prueba de jarras se muestran en la tabla 5.1 Tabla 5.1 Resultados de la prueba de jarras A.C J1 J2 J3 J4 J5 J6 Volumen (mL) 1 2 3 4 5 6 Dosis (mg/L) 0 20 40 60 80 100 120 Turbiedad (NTU) 580 5,1 2,81 1,81 1,69 1,20 0,81 pH ABS 7,64 7,30 7,18 7,11 7,10 7,03 6,98 0,881 0,046 0,033 0,033 0,028 0,026 0,025 Según las mediciones realizadas, la dosis óptima de sulfato de aluminio para la muestra de agua cruda estudiada es de 120 mg/L ya que es donde el valor de la turbiedad es menor a 1 NTU. La relación de la turbiedad y la dosis del coagulante utilizado se puede observar en la gráfica 5.2 es que al aumentar la dosis de la sal, la turbiedad disminuye debido a que hay una neutralización de las cargas eléctricas negativas a como se observa en la Figura 5.3 que suelen rodear a las partículas coloidales dispersas en el agua, hasta llegar a la dosis óptima donde la turbiedad es de igual o menor a 1 NTU. Figura 5.1 Neutralización de la carga de la partícula coloidal 9 A partir de esto al seguir aumentando la dosis, la turbiedad vuelve a aumentar y esto se debe a que como ya no hay más cargas negativas de las partículas dispersas en el agua debido a que todas han sido neutralizadas, comienza a haber un exceso de carga positiva a causa del coagulante que al disociarse quedan los cationes de Al3+ que hacen que el fenómeno se revierta y hacen resurgir el coloide negativo causando nuevamente el problema de turbiedad y color. Turbiedad (NTU) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 -100 Figura 5.2 Gráfico de Turbiedad vs Dosis La relación que existe entre el pH y la dosis, a como se observa en la gráfica de la Figura 5.3 es que al aumentar la dosis el pH disminuye ya que algunas de las reacciones que se dan en el proceso de floculación producen CO2, cuyo efecto consiste fundamentalmente en el incremento de la acidez del agua y por consiguiente la disminución del pH. 𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3 .18 𝐻2𝑂 + 3 𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3)2 → 2 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 ↓ + 3 𝐶𝑎𝑆𝑂4 + 18 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 (5.1) Durante la floculación se completa la aglomeración de las partículas y crecen los flóculos hasta una condición adecuada para su sedimentación. Durante la sedimentación el flóculos se asienta para dejar un líquido clarificado. Cuando se añade sulfato de aluminio al agua este reacciona con la alcalinidad natural del agua para formar flóculos de hidróxido de aluminio, es decir consume los iones OH- presentes en el agua por lo cual la acidez aumenta. [𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 ] + + 𝑆𝑂42− → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 ↓ + 𝑠𝑢𝑙𝑓𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠 10 (2) pH 7,7 7,6 7,5 7,4 7,3 7,2 7,1 7 6,9 0 20 40 60 80 100 120 140 Figura 5.3 Gráfico de Dosis de Al2 (SO4)3 .18 H2O vs pH En la Figura 5.3 se muestra el grafico Turbiedad vs pH, del que se puede deducir que al disminuir la turbiedad, también disminuye el pH, esto es así hasta el punto donde se encontró la dosis óptima donde el valor de la turbiedad es 0,81, entonces la turbiedad va a empezar a aumentar debido a lo anteriormente explicado, mientras que el pH continuará disminuyendo ya que los iones OH- seguirán disminuyendo al reaccionar con el coagulante. Turbiedad (NTU) 700 600 500 400 300 200 100 0 6,9 7 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 Figura 5.4 Gráfica de pH vs Turbiedad 11 7,6 7,7 6. CONCLUSIONES La dosis óptima encontrada para la muestra de agua cruda analizada fue de 120 mg/L de Al2(SO4)3 .18 H2O, lo que la llevó a una turbiedad de menor que 1 NTU, que fue la mínima turbiedad a la que se logró llevar con las dosis de coagulante utilizadas en la prueba de jarras, así como disminuye también la absorbancia por menor presencia de sólidos. El pH encontrado en la muestra de agua cruda para la dosis óptima fue de 6,98 que, quiere decir que está dentro del rango de valores permisibles de pH en el agua potable que es de 6,5 a 8,5 según las normas de calidad de agua para el consumo humano (CAPRE, 1994). 12 7. LISTA DE REFERENCIAS Lenntech. (2013). Water treatment solutions. Recuperado el 04 de Abril de 2015, de http://www.lenntech.es/turbidez.htm Valendia, S. (03 de Marzo de 2013). Turbiedad del Agua. Recuperado el 4 de Abril de 2015, de http://turbiedaddelagua.blogspot.com/p/contexto.html 13
