1 REUTILIZACIÓN DEL HIDRÓXIDO DE SODIO (NaOH

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental
Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
REUTILIZACIÓN DEL HIDRÓXIDO DE SODIO (NaOH 0.5%) EN EL PROCESO DE
ADSORCIÓN EN ALÚMINA ACTIVADA PARA LA DISMINUCIÓN DE FLÚOR EN
AGUA POTABLE
Manuel Piñón Miramontes *
Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua (JMAS)
Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH), Maestría en
Ingeniería de Recursos Hidráulicos en la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH),
Candidato a Doctor en la especialidad de Ciencia y Tecnología Ambiental en el Centro de
Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV) Áreas de interés: diseño y construción de equipos para eliminar contaminantes en agua potable y residual.
Antonino Pérez Hernández
Centro de Investigación de Materiales Avanzados S.C. (CIMAV)
Miguel de Cervantes # 120 C.P. 31109 Chihuahua, Chih. México Tel: (614) 439-1101
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Universidad Autónoma de Chihuahua
Facultad de Ciencias Químicas
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Carretera Villahermosa-Cárdenas Entronque con Bosques de Saloya C.P. 86150, Villahermosa, Tabasco, México
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Periférico Ortiz Mena y Politécnico Nacional S/N, Quintas del Sol C.P. 31250 Chihuahua, Chih. México Tel.: (614)
430-0199 Fax: (614) 430-0775. e-mail: [email protected]
RESUMEN
En la ciudad de Chihuahua se ha detectado algunas fuentes de suministro con presencia de flúor que excede la
Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, la cual que indica que la concentración de flúor no debe de
exceder de 1.5 mg/L. En este contexto, tres diferentes métodos de tratamiento para disminuir flúor fueron
estudiados (ósmosis inversa, coagulación–filtración y adsorción con alúmina activada) con el objeto de seleccionar
alguno de ellos. De acuerdo a su bajo costo económico fue seleccionado el proceso de adsorción con alúmina
activada por lo que se construyó una planta piloto para tratar 2 LPS de agua subterránea. Diferentes pruebas de
adsorción fueron realizadas disminuyendo la concentración de flúor de 2.4 a 1.0 mg/L, la regeneración de la
alúmina activada se llevo a cabo con una solución de NaOH 2%, seguido de una neutralización con ácido sulfúrico
diluido (H2SO4 2%). La solución de NaOH 2% decrece su concentración hasta un 0.5%, siendo el 1.5% restante el
que reacciona con el lecho de la alúmina activada. La solución de NaOH 0.5% es la que contiene los iones de flúor
que sé desadsorben de la alúmina activada. Con el objeto de disminuir la presencia de flúor en la solución de NaOH
0.5% para su reuso en la regeneración de la alúmina activada, se realizaron pruebas de jarras con diferentes
coagulantes metálicos (hidróxido de calcio, sulfato de aluminio, cloruro de magnesio, sulfato de magnesio e
hidróxido de magnesio) siendo el hidróxido de calcio el que mejor precipita el flúor. Se diseño una planta piloto
para tratar 1.2 LPM de NaOH 0.5% teniendo una eficiencia en la disminución de flúor de hasta un 81% (58 mg/L)
adicionado una concentración de 600 mg/L de hidróxido de calcio a un rango de pH de 11.5 a 12.0. La solución de
NaOH 0.5% se logró utilizar hasta seis veces antes de desecharse, solo se ajusto la concentración al 2%
adicionándole NAOH al 50%. El costo por el uso del hidróxido de sodio se logró reducir hasta un 30%.
Palabras Clave : flúor, agua subterránea, hidróxido de sodio, alúmina activada
INTRODUCCIÓN
La ciudad de Chihuahua, México presenta el problema de escasez de agua debido a su ubicación geográfica. La baja
precipitación pluvial durante todo el año (335 mm) ha generado racionamiento de ella.
1
El volumen de agua potable que se dota a la ciudad de Chihuahua es de alrededor de 3540 LPS, el cual proviene en
su gran mayoría de agua subterránea (3440 LPS) el restante es agua superficial. En la ciudad de Chihuahua existen
algunas fuentes de suministro de agua subterránea con concentraciones de flúor por encima del nivel máximo
permitido. La Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 menciona que la concentración de flúor en agua para
consumo humano no debe sobrepasar 1.5 mg/L.
Un exceso crónico de fluoruro produce una afección a los huesos conocida como osteoesclerosis debida a la
densificación del sistema óseo, conforme se incrementa se intensifica, conociéndose esta afección pétreo o de
marfil. Investigaciones realizadas indican que una sobredosis de flúor produce alteraciones tales como: dientes
coloreados, veteados, moteados en distintos grados, fluorosis ósea, con aumento de dureza, disminución de
elasticidad y por consecuencia mayor posibilidad de fractura (Waldbott et al., 1978; Jacobsen et al., 1993).
Existen diversos métodos de tratamiento para la disminución de flúor en agua potable tales como: ósmosis inversa,
intercambio iónico, precipitación química, electrocoagulación. Para esto se seleccionó la adsorción de los iones
fluoruros utilizando alúmina activada con el objeto de observar su eficiencia. (Jinadasa et al., 1998; Pontius et al.,
1994; Fox et al., 1987).
El proceso de adsorción de los iones fluoruro se lleva a cabo en las siguientes etapa: 1. Adsorción de los iones
fluoruro. 2. Saturación de la alúmina activada por los iones de flúor y otros tales como carbonatos, bicarbonatos y
silicatos. 3. Regeneración de la alúmina activada con hidróxido de sodio al 2% 4. Neutralización del lecho de
alúmina activada con ácido sulfúrico al 2% para acondicionar el pH del lecho.
Realizadas la última etapa el sistema de adsorción con alúmina activada esta listo para su operación.
Para efecto de disminuir la presencia de flúor en el agua subterránea se diseño una planta piloto de adsorción que
utiliza alúmina activada y puede tratar 2 LPS.
La alúmina activada durante su operación se satura de los iones fluoruro y es necesario regenerarla con hidróxido de
sodio, sin embargo el hidróxido de sodio solo una vez se puede utilizar ya que se contamina con el flúor
desadsorbido, por lo que este subproducto se desecha generando un problema ambiental. Diferentes pruebas de
precipitación química se realizaron utilizando algunos coagulantes metálicos con el objeto de seleccionar el mejor
coagulante para disminuir la presencia de flúor en la solución regenerante de hidróxido de sodio 0.5%.
Posteriormente se diseño una planta piloto para tratar un caudal de 1.2 LPM para disminuir la presencia de flúor en
el hidróxido de sodio al 0.5%. La solución de hidróxido de sodio tratada se utilizó nuevamente para regenerar la
alúmina activada.
METODOLOGÍA
Las pruebas de adsorción de los iones fluoruro utilizando alúmina activada como medio adsorbente se realizaron
con agua de pozo, la cual tiene una concentración inicial de 2.4 mg/L. Este pozo se encuentra en la mancha urbana
de la ciudad de Chihuahua y se logró disminuir la concentración de 2.4 mg/L hasta una concentración de 1 mg/L.
Para lograr este objetivo se diseño una planta piloto que tiene la capacidad de tratar 2 LPS de agua subterránea, esta
planta piloto consta de dos reactores de un diámetro de 0.40 m y una altura de 1.88 m, cada reactor esta empacado
con alúmina activada con un diámetro de partícula de 3.1 mm y una altura del lecho de alúmina activada de 1.3 m,
dichos reactores se utilizaron en forma alternada para la adsorción, regeneración y neutralización.
Las pruebas de disminución de flúor presente en la solución regenerante de hidróxido de sodio 0.5% se verificaron
en una planta piloto que se diseño y construyo para este fin. Esta planta piloto es un sistema de precipitación
química que puede tratar un caudal de 1.2 LPM de hidróxido de sodio al 0.5%. Dicho sistema consta de: un
sedimentador de placas inclinadas, filtro prensa, bomba dosificadora, agitadores y tanques de almacenamiento de
reactivos. Ver Figura 1
Para la determinación de flúor se utiliza un medidor ISE/PH marca Orion Modelo 720 y un electrodo de ion
selectivo marca Orion. En este método se lleva a cabo un control de calidad en cada lote de muestras (SM-4500-F
C-1998) (Greenberg et al., 1998).
ACTIVIDADES DESARROLLADAS
Diseño y construcción de sistema de adsorción de iones fluoruro que utiliza alúmina activada para tratar 2 LPS.
Pruebas de precipitación para seleccionar el coagulante más óptimo para disminuir la presencia de flúor en una
solución regenerante de hidróxido de sodio 0.5%.
Diseño y construcción de un sistema de precipitación química para disminuir la presencia de flúor en la solución
regenerante de hidróxido de sodio 0.5%.
Disminución de la concentración de flúor en el hidróxido de sodio 0.5% y reutilización de esta en la regeneración de
2
la alúmina activada.
T o rre s d e
A d s o rc ió n
4
10
2
N a O H l 0 .5 %
7 5 0 lt.
N aO H 50%
l5 0 %
H 2S O4 9 8 %
N aO H 2%
H 2 S O4 2 %
C a ( O H )2
15
6
5
11
16
14
9
3
7
1
13
S e d im e n ta d o r D e
P la c a s In c lin a d a s
8
12
AG UA
PO ZO
AG UA A
C L O R A C IÓ N
DRENAJE
M U N IC IP A L
LO D O S
Figura 1: Planta piloto para disminuir flúor en agua subterránea y reutilizar hidróxido de sodio en el proceso
de adsorción de los iones flúor utilizando alúmina activada.
RESULTADOS
Se ha realizado pruebas a nivel laboratorio con el método de adsorción en alúmina activada con el objeto de
disminuir el flúor presente en agua subterránea, dichas pruebas nos han auxiliado para realizar el diseño y
construcción de una planta piloto para tratar 2 LPS para reducir una concentración de flúor de 2.4 mg/L hasta 1.0
mg/L.
Se determinó también las velocidades de reacción en la regeneración de la alúmina activada. La velocidad de
reacción con respecto al flúor absorbido por la Alúmina de las columnas, es en la solución de sosa al 2% tres veces
mayor que la velocidad de reacción de la sosa al 1% así también permite una mejor adsorción de los iones de flúor
cuando se realiza la regeneración de la alúmina activada con un hidróxido de sodio al 2%.
Se realizó diferentes pruebas de precipitación química para una solución de hidróxido de sodio al 0.5% la cual
contiene una concentración de flúor de 150 mg/L y se le adicionó distintas concentraciones de hidróxido de calcio y
se obtuvo hasta un 81% en la remoción de flúor adicionando 1400 mg/L de hidróxido de calcio. Así también se
probaron coagulantes de sales metálicas como: MgCl2, Al2(SO4)3, Mg(OH)2, MgSO4 y coagulantes comerciales, sin
embargo no obtuvieron el mismo éxito que el descrito con el hidróxido de calcio. Ver Tabla 1.
Tabla 1: Pruebas de disminución de flúor (150 mg/L) presente en hidróxido de sodio 0.5% adicionando
hidróxido de calcio.
Hidróxido de Calcio
Flúor Remanente
% Remoción
(mg/L)
(mg/L)
de Flúor
900
46.1
69.27
1000
39.5
73.67
1100
34.6
76.93
1200
29.2
80.53
1400
28.3
81.13
3
Concentración de Flúor
(mg/L)
150
130
110
90
70
Flúor
50
30
10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Hidróxido de Calcio (mg/L)
Figura 2: Disminución de la presencia de fluór presente en la solución de
hidróxido de sodio al 0.5% dosificando hidróxido de calcio. (Flúor inicial
=150 mg/L)
Cuando ya se comprobó que era posible disminuir la concentración de flúor en una solución de hidróxido de sodio
al 0.5%, se realizaron pruebas con flujo continuo en una planta de precipitación química (ya descrita) para un caudal
de 1.2 LPM para tratar hidróxido de sodio remanente de la etapa de regeneración de la alúmina activada del proceso
de adsorción de iones fluoruros presentes en agua potable. Se logró reutilizar hasta seis ocasiones la misma solución
de hidróxido de sodio cuando esta se le disminuyó la concentración de flúor y se le volvió a utilizar solo ajustando
la concentración del hidróxido de sodio del 0.5% al 2% adicionándole hidróxido de sodio al 50% “fresco”. Cabe
destacar que la regeneración de la alúmina activada se realiza con hidróxido de sodio al 2%, pero durante la
regeneración de la alúmina activada su concentración disminuye a 0.5%, esto es debido que reacciona con los iones
que desadsorbe durante esta etapa y posteriormente se precipitan en el fondo del sedimentador de placas inclinadas.
Ver en la Tabla 2 las pruebas realizadas de adsorción de los iones flúor utilizando hidróxido de sodio fresco y este
mismo hidróxido “tratado” el cual puede ser hasta seis veces reutilizado, eliminando el flúor por medio de la
precipitación de este utilizando como coagulante el hidróxido de calcio: En esta Tabla se observa que el
comportamiento de la adsorción de los iones flúor en las distintas corridas es similar, lo que indica que se eliminó la
presencia de flúor en la solución regenerante de hidróxido de sodio, lo que permitió que la alúmina activada se le
desadsorbiera el flúor que estaba unido químicamente en la superficie de la alúmina activada. Ver Figura 2
Disminución de flúor
O
O
Al
O+H +
H
F-
O
Al
O-F
Al
O
+ 2H
(1)
O
Regeneración de la alúmina activada
O
O
Al
O
O-F
+ NaOH
OH
+ NaF
(2)
O
4
Neutralización de la alúmina activada
O
O
Al
O
OH + H2SO4
Al
O+H +
H
HSO4-
(3)
O
Tabla 2: Comportamiento de la adsorción del flúor en la alúmina activada utilizando para la regeneración hidróxido
de sodio 2% y 0.5% (dp= 3.1mm; [F-]initial = 60 mg /l; Q= 5 LPS).
0.5%
0.5%
0.5%
0.5%
0.5%
0.5%
2%
NaOH
NaOH
NaOH
NaOH
NaOH
NaOH
NaOH
Reciclado
Reciclado
Reciclado
Reciclado
Reciclado
Reciclado
TIME
“Fresco”
#1
#2
#3
#4
#5
#6
(min)
Flúor
Flúor
Flúor
Flúor
Flúor
Flúor
Flúor
Conc.
Conc.
Conc.
Conc.
Conc.
Conc.
Conc.
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
0
1.63
1.78
1.87
0.997
1.18
1.59
1.36
15
2.23
2.107
2.05
1.59
1.73
1.9
1.74
30
2.26
2.226
2.1
1.74
1.95
1.99
1.89
45
2.28
2.31
2.16
1.86
2.06
2.02
1.94
60
2.29
2.32
2.15
1.99
2.07
2.02
2.05
75
2.3
2.355
2.18
2.01
2.1
2.06
2.09
90
2.32
2.374
2.19
1.96
2.11
2.07
2.1
105
2.38
2.41
2.2
2.05
2.12
2.08
2.12
120
2.4
2.38
2.21
2.08
2.12
2.08
2.15
135
2.41
2.42
2.22
2.14
2.13
2.05
2.18
5
Concentración de Flúor (mg/L)
2.6
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
NaOH "Fresco"
NaOH 0.5% 1er. Reciclado
NaOH 0.5% 2o. Reciclado
NaOH 0.5% 3er. Reciclado
NaOH 0.5% 40. Reciclado
NaOH 0.5% 5o. Reciclado
NaOH 6o. Reciclado
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Tiempo de Operación (min)
Fig. 3 Adsorción de los iones fluoruros en la alúmina activada utilizando NaOH "Fresco" y Reciclado.
Q= 5 LPS ; [F-] initial = 2.4 mg/L
CONCLUSIONES
•
•
•
•
•
Es posible eliminar la contaminación por verter hidróxido de sodio a los colectores de agua residual si se trata
este, con precipitación química utilizando hidróxido de calcio.
El hidróxido de calcio tiene un buen desempeño a pH alcalinos (10 - 11.5).
Se obtuvo una reducción en los costos de operación de un 30% (hidróxido de sodio al 2%) en el método de
adsorción en alúmina activada para disminución de flúor en agua potable.
Es posible tener una disminución de flúor en una solución de hidróxido al 0.5% de hasta un 81% utilizando
hidróxido de calcio.
Es factible diseñar tecnología básica para la solución de la problemática del flúor en la ciudad de Chihuahua a
un costo menor que la que ofrecen las compañías especializadas en tratamiento de agua potable.
RECOMENDACIONES
El diseño y construcción de un sistema de coagulación-filtración para disminuir flúor y arsénico (5 LPS) debe
escalarse hasta un volumen de 10 LPS ya que existen pozos que tiene caudales que están cerca de este volumen, el
escalamiento no debe ser ningún problema ya que esta demostrado que es un sistema generoso en su operación y
mantenimiento.
Agradecimientos. – Los autores agradecen a la Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua (JMAS) y
al Centro de Investigación en Materiales avanzados S.C. (CIMAV) por el financiamiento del presente trabajo. Así
también el autor desea reconocer el interés y apoyo de los Ingenieros Miguel García Del Val y Marco A. Velazco
B. durante el desarrollo de la investigación.
BIBLIOGRAFÍA
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