comportamiento del hierro presente en el sulfato de

COMPORTAMIENTO DEL HIERRO PRESENTE EN EL
SULFATO DE ALUMINIO COMERCIAL
Lydia Marciales, Carlos Cobos y Luis Cortés
Laboratorio de Aguas, Departamento de Ingeniería Sanitaria Facultad de Ingeniería,
Universidad Central de Venezuela Apartado 50656, Caracas 1050-A, Venezuela
Fax: (58-2) 6053038; e-mail: [email protected]
RESUMEN
Investigaciones realizadas previamente por los autores a fin de evaluar la eficacia de un sulfato de
aluminio comercial empleado como coagulante en el tratamiento de las aguas con fines de
potabilización, mostraron que su eficiencia es similar a la de un sulfato de aluminio de calidad
analítica. Debido a la presencia significativa del hierro en el producto comercial, verificada
analíticamente, y a su actuación como coagulante metálico, hemos realizado este estudio para
determinar la influencia del hierro presente en dicho producto en el proceso de coagulaciónfloculación. A tales efectos se hicieron pruebas empleando sulfato de aluminio nacional con
contenidos de hierro de 1,4% y un sulfato que simula su composición pero con contenidos
crecientes desde 2% hasta 8% de Fe2O3. Los resultados obtenidos confirmaron su papel en el
proceso aún cuando es recomendable continuar los estudios para poder evaluar la contribución
del hierro en forma cuantitativa.
Palabras clave: coagulación, floculación, coagulantes, sulfato de aluminio.
INTRODUCCION
El presente trabajo es una continuación de las determinaciones llevadas a cabo en el Laboratorio
de Aguas del Departamento de Ingeniería Sanitaria de la Universidad Central de Venezuela, para
evaluar la eficacia del sulfato de aluminio producido en nuestro país a partir de bauxita nacional
(Marciales et al., 1995), el cual se utiliza como coagulante en el tratamiento de las aguas con fines
de potabilización. Los resultados obtenidos mostraron que el sulfato de aluminio comercial tiene
una eficacia como coagulante similar a la de un sulfato de aluminio de calidad analítica aún cuando
su contenido de aluminio sea algo menor. Además los análisis practicados al producto comercial
mostraron un contenido de hierro de cierta significación, introduciendo así un componente adicional
que pudiera intervenir en el proceso de coagulación ya que el hierro actúa también como
coagulante metálico. En consecuencia, se estudió su comportamiento mediante ensayos de fijación
de tratamiento empleando pruebas de jarro normalizadas y se compararon los resultados
utilizando un sulfato de aluminio comercial con un contenido de aluminio del 15,2% expresado
como Al2O3 y de hierro de 1,4% expresado como Fe2O3, con aquellos obtenidos con un sulfato de
aluminio de calidad analítica con un contenido de aproximadamente 15% de Al2O3 y prácticamente
libre de hierro. No se encontró diferencia alguna entre la eficiencia como coagulante del producto
comercial proveniente de la bauxita frente a la del producto de grado analítico. Por lo tanto hemos
realizado este estudio a objeto de determinar la influencia de contenidos de hierro superiores al
1,4%, presente en el producto comercial estudiado.
MATERIALES Y METODOS
De las 144 muestras de sulfato de aluminio comercial analizadas (Marciales et al., 1995),
utilizando la metodología señalada por la “ American Water Works Association” (1988) y la clásica
empleada en estos casos (Griffin, 1955), se escogieron los resultados más significativos en
frecuencia y alto contenido de hierro como valores representativos (ver Tabla 1). Para los ensayos
se utilizó una muestra de sulfato de aluminio comercial con un contenido de hierro de 1,4%
expresado como Fe2O3 como valor representativo de esas dos condiciones y con 15,2% de
aluminio como Al2O3.
Para cuantificar el hierro remanente después del tratamiento y con el fin de estudiar su
participación en el proceso de coagulación, se realizaron pruebas de jarro empleando la muestra
antes referida, y como compuestos referenciales se utilizaron como coagulantes un sulfato de
aluminio de grado analítico (p.A.) y una mezcla de compuestos p.A. que simulan los contenidos de
hierro y aluminio presentes en el sulfato comercial usado en los experimentos.
La eficiencia del proceso se determinó midiendo la turbiedad residual de los sobrenadantes
después de la sedimentación. Inicialmente se realizaron series de tres ensayos similares
empleando los tres coagulantes y la misma agua cruda natural de origen superficial en todos los
casos (Tabla 2).
Debido al contenido de hierro del agua cruda natural el cual interfiere en la evaluación de los
resultados del hierro residual, se hizo necesario realizar una segunda serie de ensayos con agua
sintética (Tabla 3), cuya turbiedad fué generada mediante la suspensión de caolín en agua
destilada ajustando su pH y alcalinidad con soluciones de HCl 0,1M y
NaHCO3 1M
0
respectivamente. El caolín fué previamente secado a 103 C durante 24 horas y la suspensión de
trabajo tenía una concentración de 50 mg/L y una turbiedad promedio de unas 60 unidades de
turbiedad nefelométrica (UTN).
Con la finalidad de estudiar el grado de participación del hierro en el proceso de coagulaciónfloculación, se realizaron ensayos con concentraciones crecientes de hierro desde 2 hasta 8%
como Fe2O3 empleando agua natural y agua sintética (Tablas 4 y 5).
En cada uno de los casos se empleó la prueba de jarro normalizada (Cox, 1964) para fijar el
tratamiento y para ello se transfirió 1 litro del agua a tratar a cada uno de los 6 vasos de
1
precipitados colocados en un agitador múltiple normalizado y se agregaron dosis del coagulante
entre 10 y 40 mg/L. Después de un período de mezcla rápida de 1 min a 100 rpm y 20 min de
floculación a 20 rpm, se dejaron sedimentar las suspensiones floculadas durante 20 min. Al final
del período de sedimentación se tomaron muestras de los sobrenadantes en cada vaso de
2
precipitados, para determinar la turbiedad y color remanentes en cada uno de ellos, así como los
pH y alcalinidad finales. Adicionalmente se determinó el hierro presente en cada uno de los
sobrenadantes previamente filtrados a través de papel de filtro Whatman No.1 y siguiendo los
métodos normalizados (“Standard Methods”, 1989).
Para el estudio comparativo de la eficiencia del producto en estudio en las pruebas de jarro antes
mencionadas, el coagulante referencial sulfato de aluminio de grado analítico (p. A.) utilizado fué
una solución (Packham, 1962) al 1% de Al2(SO4)3.18 H2O.
Los resultados de las pruebas de jarro con los tres coagulantes arriba indicados, empleando agua
cruda natural y agua sintética se muestran en las Tablas 2 y 3, respectivamente. Los ensayos con
concentraciones crecientes de hierro desde 2 hasta 8% como Fe2O3, usando aguas natural y
sintética se presentan en las Tablas 4 y 5.
1
2
Phipps & Bird Inc. Richmond, Va., USA.
Hach Chemical Co., Modelo 2100, Ames, Iowa,USA.
TABLA 1: CARACTERISTICAS DEL SULFATO DE ALUMINIO
VALORES MAS REPRESENTATIVOS
Muestra
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Al2 O3
%
15.6
15.5
15.3
15.1
15.3
15.1
15.2
15.5
15.4
15.2
Fe2 O3
%
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.4
1.3
1.4
1.3
Insolubles
%
4.2
3.8
3.4
2.9
3.5
4.0
4.4
3.8
3.5
3.8
RESULTADOS Y DISCUSION
Como resultado de las pruebas de jarro puede observarse, en todos los casos estudiados, que la
turbiedad remanente después del período de sedimentación disminuye a medida que aumenta la
dosis de coagulante. Además, la reducción de la turbiedad originalmente presente en las aguas
crudas natural y sintética son respectivamente del mismo orden de magnitud (Tablas 2, 3, 4 y 5),
indicando para la eficiencia del proceso un comportamiento análogo de los tres coagulantes
utilizados.
Al analizar los resultados del hierro remanente en los sobrenadantes de las aguas sedimentadas
después del proceso de coagulación puede observarse lo siguiente:
Con agua cruda natural (Tablas 2 y 4) el hierro remanente es menor que el hierro presente en el
coagulante tanto para el sulfato de aluminio comercial como para la mezcla de coagulantes p.A.
En el caso del sulfato de aluminio p.A. donde el hierro residual proviene sólo del agua cruda, el
residual al final del proceso es muy bajo. Con agua sintética, libre de hierro, los remanentes de
éste son cero (esta cifra significa ausencia de hierro de acuerdo al límite de detección del método)
para los tres coagulantes usados.
Con dosis pequeñas de coagulante (10 y 15 mg/L), en todos los ensayos, se presenta un hierro
residual menor al añadido, el cual no pudo ser arrastrado en el proceso de coagulación de barrido
(Packman, 1962), ya que a los pH reportados las dosis mencionadas se encuentran en la
denominada zona de floculación “incipiente", definida en publicación anterior por los autores
(Marciales et. al., 1984; Rivas Mijares, 1994).
En todos los ensayos, a medida que aumenta la dosis del coagulante aumenta la remoción de
turbiedad y disminuye el contenido de hierro remanente.
En los ensayos con alto contenido de hierro, como puede observarse en las Tablas 4 y 5, tanto el
pH como la alcalinidad no tienen mayor variación al aumentar la cantidad de hierro agregada. En
cuanto a los porcentajes de remoción de turbiedad en todos los ensayos son del mismo orden de
magnitud y similares a aquellos cuyo contenido de hierro es de 1,4 % de Fe2O3. Para el caso de 2
y 4% con agua sintética, la turbiedad disminuye a medida que aumenta la concentración de hierro,
lo cual ocurre también con los otros coagulantes empleados en los otros experimentos. En tanto
que para el caso de 8%, se puede observar un ligero cambio de comportamiento, ya que no hay
una disminución sostenida en la remoción de turbiedad sino que sigue un patrón irregular con el
aumento de la dosis de coagulante añadida pero en el mismo orden de magnitud como los otros
ensayos. En relación a la cantidad de hierro remanente después de la sedimentación con 2 y 4%
de Fe2O3 (Tabla 5), no se observa presencia del elemento hierro para ninguna de estas dosis
cuando se emplea agua sintética libre de hierro. Sin embargo, para la concentración de 8%
aparece la misma cantidad de hierro remanente a medida que aumenta la dosis de coagulante
siendo algo mayor para las dosis superiores. En el caso del uso de agua cruda natural que
contiene hierro y coagulantes con 4% y con 8% de Fe2O3, los residuales de hierro son iguales
entre sí pero menores al correspondiente del sulfato grado analítico libre de hierro (Tabla 4), lo nos
muestra la participación del hierro presente tanto en el agua como en el coagulante.
En todos los ensayos los valores de hierro residual son menores que el valor normativo venezolano
vigente (Gaceta Oficial, 1992).
TABLA 2: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA CRUDA NATURAL
SULFATO DE ALUMINIO COMERCIAL
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,8
7,6
7,5
7,5
7,4
7,4
7,3
134
128
126
124
124
120
118
Turbiedad
Residual
UTN
%
230
100
37
16
31
13
26
11
24
10
17
7
7
3
Color
Residual
UC
%
50
100
25
50
25
50
20
40
20
40
15
30
15
30
Hierro
Inicial Residual
mg/L
mg/L
1,96
1,96
2,06
0,13
2,11
0,10
2,16
0,08
2,21
0,07
2,25
0,05
2,35
0,04
SULFATO DE ALUMINIO GRADO ANALITICO
Jarro
Nº
Cog.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,7
7,6
7,5
7,4
7,4
7,3
7,2
130
128
124
122
120
118
116
Turbiedad
Residual
UTN
%
235
100
29
12
26
11
21
9
17
7
13
5
5
2
Color
Residual
UC
%
50
100
25
50
25
50
20
40
20
40
15
30
15
30
Hierro
Inicial Residual
mg/L
mg/L
1,96
1,96
1,96
0,05
1,96
0,04
1,96
0,02
1,96
0,02
1,96
0,01
1,96
0,01
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,6
7,5
7,4
7,4
7,3
7,2
7,1
130
124
122
122
118
114
110
*Agua Cruda
Turbiedad
Residual
UTN
%
165
100
19
12
14
11
8
9
5
7
4
5
2
2
Color
Residual
UC
%
50
100
20
40
20
40
15
30
15
30
10
20
10
20
Hierro
Inicial Residual
mg/L
mg/L
1,96
1,96
2,06
0,06
2,11
0,06
2,16
0,05
2,21
0,02
2,25
0,01
2,35
0,01
TABLA 3: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA SINTETICA
SULFATO DE ALUMINIO COMERCIAL
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,4
7,3
7,2
7,1
7,1
7,0
6,9
84
82
80
78
76
74
72
Turbiedad
Residual
UTN
%
60
100
16
27
11
18
9
15
8
13
7
12
6,5
11
Hierro
Inicial Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,10
0
0,15
0
0,20
0
0,25
0
0,29
0
0,39
0
SULFATO DE ALUMINIO GRADO ANALITICO
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,5
7,3
7,2
7,1
7,0
6,9
6,8
84
82
78
78
76
70
72
Turbiedad
Residual
UTN
%
64
100
17
27
13
20
11
17
7
11
7
11
6
10
Hierro
Inicial Residual
mg/L
mg/L
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO
ANALITICO
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,5
7,4
7,3
7,2
7,0
7,0
6,8
84
82
80
80
78
76
72
*Agua Cruda
Turbiedad
Residual
UTN
%
63
100
15
24
11
17
9
14
8
13
8
13
7
11
Hierro
Inicial Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,10
0
0,15
0
0,20
0
0,25
0
0,29
0
0,39
0
TABLA 4: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA CRUDA NATURAL Y COAGULANTE CON ALTO
CONTENIDO DE HIERRO
SULFATO DE ALUMINIO GRADO ANALITICO (0% Fe 2 O3 )
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
8,1
8,0
7,9
7,8
7,7
7,6
7,2
156
152
150
148
140
140
140
Turbiedad
Residual
UTN
%
56
11
6
5
4
3
2
100
20
11
9
7
5
4
Color
Residual
UC
%
Hierro
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
50
30
25
20
20
15
10
3,40
3,50
3,55
3,60
3,65
3,69
3,79
100
60
50
40
40
30
20
3,40
0,15
0,13
0,10
0,09
0,08
0,08
Aluminio
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,79
0,22
1,19
0,30
1,59
0,15
1,99
0,18
2,38
0,11
3,18
0,09
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (4% Fe 2 O3 )
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
8,0
7,9
7,9
7,8
7,6
7,6
7,4
156
150
148
144
140
138
134
Turbiedad
Residual
UTN
%
56
100
9
16
6
11
5
9
4
7
3
5
2
4
Color
Residual
UC
%
50
100
20
40
20
40
20
40
15
30
10
20
10
20
Hierro
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
3,40
3,40
3,50
0,09
3,55
0,06
3,60
0,06
3,65
0,06
3,69
0,04
3,79
0,04
Aluminio
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,81
0,19
1,21
0,14
1,61
0,13
2,02
0,14
2,42
0,11
3,23
0,12
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (8% Fe 2 O3 )
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
8,1
7,9
7,8
7,7
7,7
7,6
7,5
156
148
146
146
144
138
136
* Agua Cruda
Turbiedad
Residual
UTN
%
56
100
11
20
9
16
8
14
6
11
5
9
4
7
Color
Residual
UC
%
50
100
25
50
20
40
20
40
15
30
10
20
10
20
Hierro
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
3,40
3,40
3,50
0,09
3,55
0,06
3,60
0,06
3,65
0,06
3,69
0,04
3,79
0,04
Aluminio
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,81
0,26
1,21
0,30
1,61
0,18
2,02
0,17
2,42
0,16
3,23
0,14
TABLA 5: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA SINTETICA Y COAGULANTE CON ALTO
CONTENIDO DE HIERRO
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO
(2% Fe 2O 3)
Jarro
Nº
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,5
7,4
7,4
7,4
7,2
7,2
7,0
84
82
82
78
74
70
68
Turbiedad
Residual
UTN
%
63
100
14
22
12
19
11
17
8
13
8
13
6
10
Hierro
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,14
0
0,21
0
0,28
0
0,35
0
0,42
0
0,56
0
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO
(4% Fe 2O 3)
Jarro
No
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,5
7,5
7,4
7,3
7,2
7,1
7,0
86
84
82
82
74
70
68
Turbiedad Residual
UTN
%
60
17
15
14
11
10
9
100
28
25
23
18
17
15
Hierro
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,28
0
0,42
0
0,56
0
0,70
0
0,84
0
1,12
0
MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO
(8% Fe 2O 3)
Jarro
No
Coag.
mg/L
pH
Alc.
mg/L
*
1
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
40
7,5
7,5
7,4
7,3
7,2
7,2
7,1
86
82
80
80
74
70
66
*Agua Cruda
Turbiedad Residual
UTN
%
61
14
10
8
11
12
10
100
23
16
13
18
20
16
Hierro
Inicial
Residual
mg/L
mg/L
0
0
0,56
0,05
0,84
0,05
1,12
0,05
1,40
0,05
1,68
0,10
2,24
0,15
CONCLUSIONES
− La eficiencia del sulfato de aluminio comercial como coagulante es similar a la de los
correspondientes compuestos de calidad analítica y mezcla de compuestos estudiados.
− El hierro contenido en el agua cruda interfiere en la evaluación del comportamiento del hierro
presente en el sulfato de aluminio comercial.
− En todos los ensayos, en la zona de floculación “incipiente”, el hierro es reducido a valores por
debajo de la concentración inicialmente presente, indicando su participación en el proceso.
− El contenido de hierro en las aguas crudas naturales parece tener poca influencia en la
concentración del hierro remanente, entre los límites estudiados.
− En los ensayos con agua sintética se puede observar que el hierro remanente es cero al utilizar
como
coagulante al sulfato de aluminio comercial, lo cual nos indica la participación del
hierro en el proceso de coagulación.
− En la zona de floculación “incipiente” el hierro remanente es cero al utilizar sulfato de aluminio
comercial como coagulante y no pudiendo haber sido arrastrado por el fenómeno de barrido se
puede inferir su participación en el proceso de coagulación.
− En todos los casos estudiados, la concentración del hierro remanente es menor a su valor
normativo.
RECOMENDACION
Se recomienda continuar los ensayos empleando aguas naturales con bajo contenido de hierro y
con aguas libres de dicho elemento, para poder definir efectivamente y en forma cuantitativa la
contribución del hierro presente en el sulfato de aluminio comercial al proceso de coagulación, lo
cual puede representar un aporte a la normativa vigente para el control de calidad de dicho
producto.
BIBLIOGRAFIA
American Water Works Association, (1988). ANSI/AWWA B-403-88.
Griffin, Roger C., (1955) Technical Methods of Analysis, Mc Graw-Hill Book Company, New York.
Cox, Ch,R, (1964), Operation and Control of Water Treatment Processes, World Health
Organization
Monographs Series, No,49, Ginebra-Suiza, 312-316.
Gaceta Oficial de la República de Venezuela, (1992). Normas Sanitarias de Calidad de Agua
Potable. N° 34892.
Marciales, L,, Cobos C,, Rivas Mijares, G, (1984) Tecnología del Proceso de Coagulaciónfloculación,
XIX Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Santiago de Chile, 11-18
Noviembre.
Marciales, L,, Cobos C,, Cortés, L, (1995), Eficiencia del Sulfato de Aluminio Producido con Bauxita
Nacional como Coagulante en la Potabilización de las Aguas, VIII Congreso Venezoano de
Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Maracay, Venezuela, 26-30 Noviembre.
Packham, R,F, (1962), The Coagulation Process, Part I, J,Appl, Chem,, 12, 556-564.
Rivas Mijares, G,, Marciales, L, (1994), Ensayos para la Simplificación del Tratamiento de Aguas,
Acta Científica Venezolana, 45, 54-61.
th
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, (1989), 17 Edition, APHA,
AWWA, WPCF, Washington, D,C.