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4. RESULTADOS
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Dr. Seuss
4.1 Determinación de concentración de metales a utilizar
Las concentraciones de los metales utilizados para realizar los experimentos de esta tesis
se muestran en la tabla 4.1. Estos valores fueron determinados con los valores promedio
de las descargas (ya sea al final del proceso o a final de tanques [58]) de las industrias
antes mencionadas en el capítulo de revisión bibliográfica.
Tabla 4. 1 Concentraciones de los metales para la experimentación.
EFLUENTE ARTIFICIAL
Metal
mg/L
Cromo
100
Cobre
80
Niquel
120
Zinc
50
Para los valores anteriores de la tabla 4.1 se tomaron en cuenta los valores límite
de las normas oficiales mexicanas: NOM-001-SEMARNAT-1996 [62], NOM-002SEMARNAT-1996 [63], NOM-052-SEMARNAT-1993 [64].
61
4.2 Curvas de neutralización
4.2.1 Ca(OH)2
4.2.1.1 Cobre
La curva de neutralización para el metal cobre se muestra en la figura 4.1.
La
concentración de cobre utilizada para realizar este experimento fue de 94 ppm. La
manera en la que se realizó esta determinación fue con una alícuota de 200 ml. El agente
neutralizante (en este caso el hidróxido de calcio) se encontraba a una concentración de
1% m/v. Cabe mencionar que esta concentración de Ca(OH)2 se tuvo que manejar como
una suspensión, y en todo momento se encontraba en agitación.
Tabla 4. 2 Tabla de la curva de calibración para el Cobre con Ca(OH)2
Curva de neutralización con
Ca(OH)2 1% m/v
mg
ml añadidos
añadidos de
de Ca(OH)2
Ca(OH)2
0
0
0.5
5
1
10
1.5
15
2
20
2.5
25
3
30
3.5
35
4
40
4.5
45
5.1
51
5.5
55
6.1
61
6.4
64
7
70
7.9
79
8.2
82
8.5
85
8.8
88
pH
4.94
5.4
5.62
7.24
10.66
10.96
11.14
11.4
11.47
11.55
11.69
11.74
11.76
11.8
11.89
11.95
11.97
11.99
12.02
62
Curva de neutralizacion Cobre
con Ca(OH)2 @ 1%
13
12
11
10
pH
9
8
7
6
5
4
0
20
40
60
80
100
mg de Ca(OH)2 anadidos
Figura 4. 1 Curva de neutralización del Cobre con Ca(OH)2 al 1% m/v
4.2.1.2Cromo
Para poder realizar la curva de neutralización del cromo, se llevo a cabo la reducción de
Cr6+ a Cr3+ teniendo una concentración inicial de 100 ppm de cromo. La alícuota que se
utilizo fue de 250 ml y el Ca(OH)2 se encontraba a una concentración de 1% m/v. Esta
curva de neutralización requirió más tiempo y cantidad de Ca(OH)2 de lo esperado dado a
que el pH inicial de la solución estaba cercano a 2. La curva de neutralización de este
metal se muestra en la figura 4.2
63
Tabla 4. 3 Tabla con los valores de la curva de neutralización de Cromo
Curva de neutralización con
Ca(OH)2 1% m/v
mg
ml añadidos
añadidos de
de Ca(OH)2
Ca(OH)2
0
0
1.2
12
2.1
21
3
30
3.5
35
4
40
4.5
45
5
50
5.5
55
6
60
6.6
66
7
70
7.5
75
8
80
8.5
85
9
90
9.5
95
10
100
10.2
102
pH
1.54
2.07
2.15
2.4
2.6
2.88
3.4
4.5
5.42
5.91
6.59
6.92
7.8
8.98
10.2
11.08
11.72
11.94
12.02
Curva de neutralizacion de cromo
con Ca(OH)2 @ 1%
14
12
10
pH
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
mg de Ca(OH)2 anadidos
Figura 4. 2Curva de neutralización del Cromo con Ca(OH)2 al 1% m/v
64
4.2.1.3 Níquel
El níquel es el metal que se encuentra en mayor concentración en el estudio. La cantidad
de hidróxido de calcio requerida no fue demasiada dado a que su pH inicial era cercano al
7.
Tabla 4. 4 Tabla con los valores de la curva de neutralización de níquel
Curva de neutralización con
Ca(OH)2 1% m/v
mg
ml añadidos
añadidos de
de Ca(OH)2
Ca(OH)2
0
0
0.5
5
1
10
1.5
15
2.1
21
2.5
3
3.5
4
5
5.6
5.8
25
30
35
40
50
56
58
pH
6.24
8.43
8.56
8.68
8.86
9.12
10.06
11.05
11.46
11.85
11.98
12.01
65
Curva de neutralizacion Ni
con Ca(OH)2 @ 1%
14
12
10
pH
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
mg de Ca(OH)2 anadidos
Figura 4. 3Curva de neutralización del Níquel con Ca(OH)2 al 1% m/v
4.2.1.4 Zinc
La curva de neutralización del zinc se muestra en la figura 4.4 y los valores para la misma
están en la tabla 4.5 fue realizada con una alícuota de 250 ml. La concentración del
hidróxido de calcio fue de 1% m/v. Se observa que la curva tiene una tendencia normal,
a pesar de que es difícil obtener el valor de pH exacto como los valores entre pH 8.0 y
9.0. Esta curva de neutralización ayudará a saber la cantidad necesaria para agregar a las
alícuotas y obtener el pH establecido.
66
Tabla 4. 5 Tabla con los valores de la curva de neutralización de Zinc
Curva de neutralización con
Ca(OH)2 1% m/v
mg
ml añadidos
añadidos de
de Ca(OH)2
Ca(OH)2
0
0
0.5
5
1
10
1.5
15
2
20
2.5
25
3
30
4
40
5.2
52
6.1
61
6.4
64
pH
6.33
7.52
10.36
10.99
11.3
11.49
11.58
11.72
11.88
11.95
12.01
Curva de neutralizacion de Zinc
con Ca(OH)2 @ 1%
14
12
10
pH
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
mg de Ca(OH)2 anadidos
Figura 4. 4Curva de neutralización del Zinc con Ca(OH)2 al 1% m/v
67
4.3 Precipitación Alcalina
La precipitación alcalina es el método utilizado en esta tesis gracias a las características y
las ventajas que presenta sobre otros métodos (capítulo de Revisión Bibliográfica). Los
compuestos químicos que se utilizan como agentes precipitantes (hidróxidos) son el
hidróxido de calcio (Ca(OH)2 ) y el hidróxido de sodio (NaOH).
4.3.1 Generación de lodos
El aspecto de los lodos obtenidos fue de partículas muy pequeñas, con color poco intenso,
y en muy poca cantidad. A continuación en la figura 4.5 se observan los colores y el
aspecto de los lodos obtenidos con las alícuotas de 250 ml.
Figura 4. 5 Aspecto de los lodos provenientes de la precipitación alcalina
4.3.1.1 Ca(OH)2
Como en la figura 4.5 se muestra la generación de lodos por litro de agua residual tratada
a los diferentes pH. Cabe hacer notar que la cantidad de lodos obtenidos a partir de la
68
solución con cromo fue mayor ya que se utilizó mayor cantidad de hidróxido de calcio
debido a que su pH inicial era de 2.0 como se mencionó anteriormente.
Tabla 4. 6 Valores de la generación de lodos por litro de agua residual con Ca(OH)2
Generación de lodos [g lodo/L agua residual]
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
0.2148
0.3140
0.1704
0.1348
0.3048
0.3588
0.2692
0.0916
0.3032
0.3784
0.2148
0.0628
0.2892
0.3324
0.2260
0.0756
0.2708
0.4488
0.2216
0.0884
0.2012
0.4084
0.2216
0.1092
pH
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
masa lodos [g]/ agua
residual [L]
lodos generados
Ca(OH)2
0.5
0.4
cobre
0.3
niquel
0.2
zinc
cromo
0.1
0
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 6 Generación de lodos a partir de la precipitación alcalina con Ca(OH)2
4.3.1.2 NaOH
La cantidad de lodos generados con el hidróxido de sodio fue muy parecida entre los
metales. Hay una gran diferencia de la generación de lodos del zinc al níquel dado a las
concentraciones iniciales de los metales en nuestra solución.
69
Tabla 4. 7 Valores de la generación de lodos por litro de agua residual tratada con
NaOH
Generación de lodos [g lodo/L agua residual]
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
0.2816
0.1384
0.3224
0.1792
0.2844
0.1632
0.3600
0.1800
0.2700
0.0624
0.3220
0.1784
0.2808
0.0708
0.4200
0.1812
0.2484
0.1064
0.3700
0.1932
0.2472
0.1560
0.3816
0.1632
pH
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
masa lodos [g]/Agua
residual [L]
lodos generados
NaOH
0.5
0.4
cobre
0.3
niquel
0.2
zinc
cromo
0.1
0
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 7 Generación de lodos a partir de la precipitación alcalina con NaOH
4.4 Resultados de absorción atómica
El método de determinación de la concentración de metales fue llevado a cabo mediante
la prueba de absorción atómica. Se utilizaron los estándares de calibración mencionados
en el capítulo de Materiales y Métodos para realizar las lecturas y poder obtener los
valores de concentración de metal en el sobrenadante.
70
4.4.1 Ca(OH)2
Se observa en la tabla 4.8 los niveles de concentración de metales en los sobrenadantes
según el pH de la condición de operación. En esta misma tabla, se puede observar que la
remoción del níquel a valores de pH bajos no es satisfactoria. Lo mismo sucede con el
cromo, pero este sólo tiene el primer nivel de pH.
El cobre y el zinc tienen una
concentración muy baja, y se mantiene a lo largo de las condiciones de operación.
Tabla 4. 8 Valores de la concentración de metales en ppm después de la
precipitación alcalina con Ca(OH)2
pH
Cobre
0.0030
0.0030
0.0030
0.0030
0.0030
0.0030
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
Concentracion de metal [ppm]
Cromo
Niquel
11.2963
71.5081
0.0060
27.7846
0.0060
1.8403
1.5185
0.6243
1.0410
0.3637
0.0060
0.1373
Zinc
1.5291
0.9086
0.9853
0.5888
0.6233
0.3256
Concentracion ppm
Concentracion metales vs pH
Ca(OH)2
5
4
Cobre
3
Niquel
2
Zinc
Cromo
1
0
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 8 Concentración final de metales después de la precipitación alcalina con
Ca(OH)2
71
4.4.2 NaOH
En la remoción de metales con hidróxido de sodio, el níquel muestra concentraciones
elevadas de metales en las dos primeras condiciones de operación (que corresponden a
los niveles más bajos de pH). Los otros metales se conservan con una baja concentración
de metales a lo largo de las condiciones de operación.
Tabla 4. 9 Valores de la concentración de metales en ppm después de la
precipitación alcalina con NaOH
pH
Cobre
0.0030
0.0030
0.1467
0.0340
0.0030
0.0030
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
Concentracion de metal [ppm]
Cromo
Niquel
0.0060
14.7358
0.0060
15.4309
0.0060
0.5350
1.0293
0.4120
0.0060
0.0000
0.0060
0.0000
Zinc
0.6264
0.0939
0.1178
0.4931
0.4202
1.9215
Concentracion ppm
Concentracion metales vs pH
NaOH
5
4
Cobre
3
Niquel
2
Zinc
Cromo
1
0
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 9 Concentración final de metales de la precipitación alcalina con NaOH
72
4.5 Eficiencia de remoción de metales
La eficiencia de remoción de los metales se calculó con la ecuación:
Ci − Cf
× 100
Ci
Ecuación 4. 1 Fórmula para calcular la eficiencia del proceso de remoción de
metales
%=
Donde:
Ci= concentración inicial del metal en el agua
Cf= concentración final del metal en el agua después de la precipitación alcalina
4.5.1 Ca(OH)2
Como se puede observar en la tabla 4.10, la mayoría de las eficiencias de remoción
sobrepasan el 90%. Hay ciertos valores como los dos primeros del níquel que son muy
bajos, y esto es dado a que la concentración del sobrenadante es muy alta. Lo mismo
ocurre con el cromo en la primera condición de operación, su eficiencia de remoción es
menor a la del 90% pero aún se puede considerar como un alto nivel de remoción.
Tabla 4. 10 Valores de eficiencia de remoción de metales con Ca(OH)2
pH
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
Eficiencia de remoción de metales [%]
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
99.9968
88.7037
40.4099
96.9418
99.9968
99.9940
76.8462
98.1827
99.9968
99.9940
98.4664
98.0295
99.9968
98.4815
99.4797
98.8225
99.9968
98.9590
99.6969
98.7534
99.9968
99.9940
99.8856
99.3488
73
% de remocion
Eficiencia de remocion de metales
Ca(OH)2
100
Cobre
95
Niquel
Zinc
90
Cromo
85
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 10 Eficiencia de remoción de metales con Ca(OH)2
4.5.2 NaOH
La eficiencia de remoción de los metales con el hidróxido de sodio es muy buena. Los
niveles no bajan del 88% de eficiencia, llegando hasta el 100%.
Tabla 4. 11 Valores de la eficiencia de remoción de metales con NaOH
pH
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
Eficiencia de remoción de metales [%]
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
99.9963
99.9940
87.7202
98.7472
99.9963
99.9940
87.1409
99.8121
99.8167
99.9940
99.5542
99.7644
99.9575
98.9707
99.6567
99.0137
99.9963
99.9940
100.0000
99.1596
99.9963
99.9940
100.0000
96.1571
74
% de remocion
Eficiencia de remocion de metales
NaOH
100
Cobre
95
Niquel
Zinc
90
Cromo
85
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 11 Eficiencia de remoción de metales con NaOH
En general se puede decir que la eficiencia de remoción con ambos hidróxidos es
muy buena y sólo a pH bajos es cuando puede haber una eficiencia no óptima.
4.6 Cantidad de metal en lodos
La cantidad de metales que se encuentran en los lodos está íntimamente relacionada con
la concentración inicial del metal y con la cantidad de hidróxido añadido a la solución
para llevar a cabo la precipitación. Para poder cuantificar el contenido de metales en los
lodos se realizó el cálculo en términos de gramos de metal por kilogramo de lodo
producido por la precipitación.
4.6.1 Ca(OH)2
El contenido metálico en los lodos provenientes de la precipitación alcalina con Ca(OH)2
varían entre los 200 gramos y los 800 gramos por kilogramo de lodo. El zinc tiene un
75
valor elevado de contenido de metal por kilogramo de lodo en el valor de pH de 10.0 y el
cromo tiene el valor mas bajo de contenido de metal en el pH de 11.0.
Tabla 4. 12 Valores del contenido metálico en los lodos generados con Ca(OH)2
Contenido Metalico en lodos [g metal/kg lodo]
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
437.6024
282.4959
651.4085
359.5763
308.3891
278.6901
410.4755
535.9320
310.0165
264.2548
512.1043
780.4894
325.0242
296.2740
484.5133
653.5877
347.1086
220.4968
491.8773
558.5600
467.1819
244.8433
489.6209
454.8938
pH
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
Cantidad de metal por kg de lodo
Ca(OH)2
g metal/kg lodo
1000
800
Cobre
600
Niquel
400
Zinc
Cromo
200
0
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 12 Cantidad de metal en el lodo resultado de la precipitación alcalina con
Ca(OH)2
4.6.2 NaOH
El cromo muestra la mayor cantidad de metal por kilogramo de lodo, siendo el punto mas
alto en el valor de pH de 10.0. Para el valor mas bajo de contenido de metal por
kilogramo de lodo es de zinc a un pH de 11.0.
76
Tabla 4. 13 Valores con el contenido metálico en los lodos generados con NaOH
pH
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
Contenido Metalico en lodos [g metal/kg lodo]
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
284.0803
722.5000
326.5019
275.5223
281.2834
612.7083
290.4697
277.2559
295.7531
1602.4679
371.0093
279.6087
284.7792
1397.8916
284.7333
273.2167
322.0491
939.7932
324.3243
256.6242
323.6125
640.9872
314.4654
294.5988
Cantidad de metal por kg de lodo
NaOH
g metal/kg lodo
2000
1500
Cobre
Niquel
1000
Zinc
Cromo
500
0
8.5
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
pH
Figura 4. 13 Cantidad de metal en el lodo resultado de la precipitación alcalina con
NaOH
4.7 Corridas a 10 L
Se realizaron corridas de remoción de metales con un volumen de 10 litros.
Las
concentraciones de los metales eran las mismas de las corridas a 250 ml, lo único
diferente fue que en lugar de utilizar agua destilada para realizar las soluciones, se utilizó
agua normal (de la llave) para poder simular una situación más real dentro de un
escenario industrial. El agua de Puebla es un agua dura. Ésta contiene de 350 a 800 ppm
de carbonatos; dentro de las instalaciones de la UDLAP van de 600 a 800 ppm.
77
Esta dureza del agua tuvo un impacto en el desarrollo de este trabajo ya que por
ejemplo, el cobre al momento de estar en contacto con el agua de la llave se precipitaba
formando carbonatos de cobre.
Los valores de pH a los que se hicieron las diferentes precipitaciones fueron 10.2
unidades con NaOH (hidróxido de sodio) y 11.0 unidades con Ca(OH)2 (hidróxido de
calcio). Estos dos valores de pH se propusieron como resultado de todas las pruebas
anteriores, y en especial con el porcentaje de remoción de metales.
Figura 4. 14 Imagen de las corridas a 10 L
4.7.1 Generación de lodos
La generación de lodos es proporcional al volumen a tratar. La generación de lodos se
vio como resultado de la precipitación alcalina y la acción de los carbonatos del agua de
la llave de la UDLAP. Estos lodos serán utilizados para la prueba PECT y determinar la
toxicidad de los mismos después de la misma.
78
4.7.1.1 Apariencia de los lodos después de la precipitación alcalina
Los lodos provenientes del tratamiento de la alícuota de 10 litros son más consistentes,
hay mayor cantidad de metal precipitado, hay mayor cantidad de hidróxido. Sin embargo
debido a la presencia de carbonatos disueltos en el agua hicieron que los lodos
adquirieran otra apariencia a la que tenían cuando se tenía una alícuota de 250 ml.
79
Lodos con hidróxido de sodio
provenientes de la precipitación alcalina
Níquel
Lodos con hidróxido de calcio
provenientes de la precipitación alcalina
Níquel
Zinc
Zinc
Cobre
Cobre
Cromo
Cromo
Mezcla
Mezcla
Figura 4. 15 Apariencia de los lodos obtenidos de la precipitación alcalina de los
metales y las mezclas
80
4.7.2 Remoción de metales
A continuación se muestran los porcentajes de remoción de cada metal en los
experimentos de 10 L. Es necesario conocer las eficiencias de remoción cuando se hacen
corridas más grandes para poder determinar las interferencias que existen entre la
relación de volúmenes.
4.7.2.1 Cobre
La figura 4.16 muestra los porcentajes de remoción de cobre con los dos diferentes
hidróxidos (cada uno a su condición de operación óptima). Se puede observar que los
dos hidróxidos llegan a un 99 por ciento de eficiencia, dando esto un muy buen
desempeño en general.
Porcentaje de rem oción de Cobre
100
98
96
%
94
92
90
Hidróxido
NaOH
99.9646
Ca(OH)2
99.9963
Figura 4. 16 Porcentaje de remoción de cobre con hidróxidos
81
La comparación entre las eficiencias de remoción se muestra en la tabla 4.14 a
continuación.
Se puede notar que no hay gran diferencia entre las eficiencias de
remoción según el volumen a tratar. En la figura 4.17 se ve gráficamente las eficiencias
de remoción dando como resultado una mayor eficiencia cuando se tiene un pH de 11.0
no importando el volumen.
Tabla 4. 14 Valores de remoción de metales de 250 ml y 10 L
Cobre
10 L
pH
Hidróxido
10.2
11.0
NaOH
Ca(OH)2
250 ml
% de
remoción de
metales
99.9646
99.9963
pH
Hidróxido
10.0
11.0
NaOH
Ca(OH)2
% de
remoción de
metales
99.8167
99.9968
Diferencia
entre % de
remoción
0.14792
0.00056
Eficiencia de remoción
Porcentaje de remoción de cobre
100.0000
99.9500
NaOH 10 L
Ca(OH)2 10 L
99.9000
NaOH 250 ml
Ca(OH)2 250 ml
99.8500
99.8000
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
pH
Figura 4. 17 Gráfica comparativa entre los porcentajes de remoción de cobre a
diferentes volúmenes
82
4.7.2.2 Cromo
La remoción de cromo en los experimentos con volúmenes de 10 litros está en el 98% de
eficiencia. Es un buen nivel de eficiencia. Se puede observar que con el hidróxido de
calcio se obtiene una mayor eficiencia, del 98.55%, pero aun así, es muy poca la
diferencia con el hidróxido de sodio por lo que se podría utilizar indistintamente los dos
hidróxidos como agente precipitante de metales.
Porcentaje de rem oción de Crom o
100
98
%
96
94
92
90
Hidróxido
NaOH
98.2778
Ca(OH)2
98.5556
Figura 4. 18 Gráfica de porcentaje de remoción de cromo con hidróxidos
En la tabla 4.15 se muestran los valores de eficiencia de remoción a volumen de
250 ml y a 10 litros. Se observa que la mayor diferencia entre porcentajes de remoción se
da en el pH de 10.0 (volumen 250 ml) y pH de 10.2 (volumen de 10 L), dando una mejor
remoción la que tiene el volumen bajo a tratar. En cuanto a la remoción en pH 11.0 no
hay gran diferencia entre sus eficiencias. En la figura 4.19 se muestra la comparación
entre las eficiencias a diferentes volúmenes.
83
Tabla 4. 15 Valores de remoción de metales de cromo a diferentes volúmenes
Cromo
10 L
pH
Hidróxido
10.2
11.0
NaOH
Ca(OH)2
250 ml
% de
remoción de
metales
98.2778
98.5556
pH
Hidróxido
10.0
11.0
NaOH
Ca(OH)2
% de
remoción de
metales
99.9940
98.9590
Diferencia
entre % de
remoción
1.71622
0.40341
Eficiencia de remoción
Porcentaje de remoción de Cromo
100.0000
99.5000
NaOH 10 L
Ca(OH)2 10 L
99.0000
NaOH 250 ml
Ca(OH)2 250 ml
98.5000
98.0000
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
pH
Figura 4. 19 Gráfica comparativa entre los porcentajes de remoción de cromo a
diferentes volúmenes
4.7.2.3 Níquel
En ambos escenarios, el porcentaje de remoción del níquel de las soluciones acuosas que
se estudiaron fue mayor al 95%. El porcentaje de remoción del níquel es mayor cuando
se utiliza Ca(OH)2 como agente precipitante.
84
Porcentaje de rem oción de Níquel
100
98
%
96
94
92
90
Hidróxido
NaOH
98.9975
Ca(OH)2
99.7853
Figura 4. 20 Porcentaje de remoción de níquel con hidróxidos
A continuación en la tabla 4.16 se muestran los valores de la eficiencia de
remoción del níquel a volumen de 250 ml y de 10 L. Se hace notar que a pH de 10.2 con
NaOH (volumen de 10 L) se obtiene la menor eficiencia con un valor de 98.99%. En
contraste, la eficiencia más alta se tiene a pH de 11.0 con Ca(OH)2. En la figura 4.21 se
puede ver los datos de la remoción de metales comparados entre ellos.
Tabla 4. 16 Valores de porcentajes de remoción de níquel a diferentes volúmenes
Níquel
10 L
pH
Hidróxido
10.2
11.0
NaOH
Ca(OH)2
% de
remoción de
metales
98.9975
99.7853
250 ml
pH
Hidróxido
10.0
11.0
NaOH
Ca(OH)2
% de
remoción de
metales
99.5542
99.6969
Diferencia
entre % de
remoción
0.55667
0.08833
85
Eficiencia de remoción
Porcentaje de remoción de Níquel
100.0000
99.8000
NaOH 10 L
99.6000
Ca(OH)2 10 L
99.4000
NaOH 250 ml
99.2000
Ca(OH)2 250 ml
99.0000
98.8000
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
pH
Figura 4. 21 Gráfica comparativa de la remoción de níquel a diferentes volúmenes
4.7.2.4 Zinc
La remoción del zinc a un volumen de 10 L es muy efectiva. Los valores del porcentaje
de remoción son de arriba del 99% en ambos casos. El hidróxido de calcio fue el agente
precipitante que arroja el porcentaje de remoción más elevado con un valor del 99.99%.
86
Porcentaje de remoción de zinc
100
98
96
%
94
92
90
Hidróxidos
NaOH
99.8876
Ca(OH)2
99.9980
Figura 4. 22 Porcentaje de remoción de zinc con hidróxidos
En la tabla 4.17 se muestran los valores de la remoción de metales en los dos
escenarios de los diferentes volúmenes. Se puede ver que hay una diferencia significante
entre la eficiencia de remoción del zinc de Ca(OH)2 a pH de 11.0 siendo mayor cuando se
tiene un mayor volumen. En la figura 4.23 se observan las eficiencias de remoción del
zinc a los diferentes pH´s y a los diferentes volúmenes. Cabe mencionar que la eficiencia
de remoción más alta se registra con un valor de 99.99% siendo el agente precipitante el
Ca(OH)2 a un pH de 11.0 y con un volumen de 10 L.
Tabla 4. 17 Valores de la remoción de zinc a diferentes volúmenes
Zinc
10 L
pH
Hidróxido
10.2
11.0
NaOH
Ca(OH)2
% de
remoción de
metales
99.8876
99.9980
250 ml
pH
Hidróxido
10.0
11.0
NaOH
Ca(OH)2
% de
remoción de
metales
99.7644
98.7534
Diferencia
entre % de
remoción
0.12320
1.24460
87
Eficiencia de remoción
Porcentaje de remoción de Zinc
100.0000
99.8000
99.6000
99.4000
NaOH 10 L
Ca(OH)2 10 L
99.2000
99.0000
98.8000
98.6000
NaOH 250 ml
Ca(OH)2 250 ml
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
pH
Figura 4. 23 Gráfica comparativa de la remoción de zinc a diferentes volúmenes
4.7.2.5 Comparación de la eficiencia de remoción de metales entre los dos hidróxidos
En la figura 4.24 se observan las eficiencias de remoción comparadas entre metales
(pruebas individuales) con ambos hidróxidos utilizados en la experimentación.
Los
porcentajes de remoción están por arriba del 98% de eficiencia, siendo esto bueno dado a
que se tiene una gran remoción de metal durante la precipitación alcalina.
88
Eficiencia de remoción de metales con diferentes hidróxidos
100
99
98
96
Porcentaje %
99.99
99.88
97
99.99
98.99
99.78
98.27
99.96
98.55
95
94
93
92
91
90
NaOH
1
Ca(OH)
2
2
Hidróxidos
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
Figura 4. 24 Comparación entre las eficiencias de remoción de metales con ambos
hidróxidos
4.7.2.6 Mezcla de metales con NaOH
La eficiencia de remoción de metales cuando se tiene la mezcla de los mismos puede
tener ciertas interferencias. En el caso de la mezcla de metales con hidróxido de sodio
como agente precipitante, la eficiencia de remoción de los metales es superior al 97%.
En el caso del cromo, la eficiencia de remoción es la menor en comparación de todos los
metales, teniendo un valor de 97.77%, pero aún así, cumpliendo con la norma. El zinc
fue el metal que obtuvo una mayor remoción con un valor de 99.96%, seguido del cobre
(99.91%) y por último el níquel (99.09%).
89
Porcentaje de remoción de metales con NaOH en
una mezcla
100
98
96
%
94
92
90
Metales
Cobre
99.9183
Zinc
99.9629
Niquel
99.0914
Cromo
97.7778
Figura 4. 25 Gráfica de remoción de metales de una mezcla con NaOH
4.7.2.7 Mezcla de metales con Ca(OH)2
La eficiencia de remoción de metales cuando se encuentran mezclados y el agente
precipitante es el hidróxido de calcio se encuentra arriba del 98%. En orden ascendente,
los valores de eficiencia de remoción son: cromo 98.07%, níquel 99.75%, zinc 99.95% y
por último con el valor más elevado cobre con 99.96%. En la figura 4.26 se muestran los
porcentajes de la eficiencia de remoción comparados entre los cuatro metales para la
mezcla.
90
Porcentaje de remoción de metales en mezcla
con Ca(OH)2
100
98
96
%
94
92
90
Metales
Cobre
99.9600
Zinc
99.9511
Niquel
99.7589
Cromo
98.0741
Figura 4. 26 Remoción de metales de una mezcla con Ca(OH)2
4.7.2.8 Comparación entre los porcentajes de remoción entre pruebas individuales y
pruebas con mezclas
Las pruebas individuales de metales y las pruebas de mezclas tienen un comportamiento
un poco diferente. La prueba individual tiene una mayor eficiencia de remoción que la
prueba de mezcla, pero la diferencia entre estos porcentajes de eficiencia de remoción son
mínimos.
Con el hidróxido de calcio, figura 4.27, se puede notar que la mayor diferencia
entre eficiencias de remoción son con el metal cromo, siendo mayor la eficiencia cuando
se trata de una prueba individual.
91
Porcentaje de Remoción de metales con Ca(OH)2
100
99
99.96
98
99.99
99.99
97
98.07
99.75
98.56
99.95
99.78
96
remoción [%]
95
94
93
92
91
90
1
Cobre
2
Cromo
Mezcla
3
Metales
Níquel
4
Zinc
Individual
Figura 4. 27 Comparación entre los porcentajes de remoción de pruebas
individuales y mezclas
La figura 4.28 muestra la comparación de l as eficiencias de remoción entre los metales y
por las pruebas individuales y las de mezcla. Se puede notar que hay un decremento de
eficiencia de remoción cuando se remueve el cromo y se encuentra en la prueba de
mezcla de metales. Los demás comportamientos de eficiencia de remoción con los otros
metales se encuentran muy parecidos entre las pruebas.
92
Porcentajes de remoción de los metales con NaOH
100
99
99.96
98
99.96
97
96
remoción [%]
98.99
99.96
99.91
99.09
98.27
97.77
95
94
93
92
91
90
1
Cobre
2
Cromo
3
Níquel
4
Zinc
Metales
Mezcla
Individual
Figura 4. 28 Comparación entre los porcentajes de remoción de pruebas
individuales y mezclas
4.7.3 Pruebas PECT
En la figura 4.29 se observan los matraces Erlenmeyer que contienen los lodos
provenientes de la precipitación alcalina con los dos agentes precipitantes (NaOH y
Ca(OH)2). Se adicionó un volumen conocido de reactivo de extracción 1. Es importante
cerciorarse de que el reactivo cubra la totalidad del lodo.
93
Prueba
PECT: lodos
con Ca(OH)2
Prueba
PECT: lodos
con NaOH
Figura 4. 29 Matraces con lodos y reactivo de extracción para realizar la prueba
PECT
4.7.3.1 Metales
En la siguiente tabla 4.18 se muestran los valores de la concentración de metal en el
lixiviado después de la prueba PECT. Cabe mencionar que se cumple con la NOM-052.
Tabla 4. 18 Valores de las concentraciones de los metales del lixiviado de la prueba
PECT
Ca(OH)2
NaOH
Hidroxido
Metal
mg/L
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
0.83066667
2.2962963
1.49186992
4.63603896
0.89
1.85185185
0.35433333
0.62987013
94
4.7.3.1.1 Metales con NaOH
La retención de los metales en los lodos provenientes de la precipitación alcalina con el
hidróxido de sodio se da por arriba del 99%. En orden descendiente, los valores de la
retención de metales de estos lodos son: cobre, níquel cromo y zinc.
Porcentaje de retención de metales con NaOH
100%
98%
96%
94%
92%
90%
Metal
Cromo
0.9999
Cobre
1.0000
Zinc
0.9996
Niquel
0.9999
Figura 4. 30 Porcentaje de retención de metales con NaOH después de la prueba
PECT
4.7.3.1.2 Metales con Ca(OH)2
La retención de los metales está dada en un porcentaje mayor al 99%. Dando los metales
en orden ascendente: cromo, zinc, cobre y níquel.
95
Pocentaje de retención de metales con Ca(OH)2
100%
98%
96%
94%
92%
90%
Metales
Cromo
0.9999
Cobre
0.9999
Zinc
0.9999
Niquel
1.0000
Figura 4. 31 Porcentaje de retención de metales con Ca(OH)2 después de la prueba
PECT
4.7.3.2 Mezclas de metales
En la tabla 4.19 se muestran los valores de la concentración de metales en el lixiviado. Se
cumple con la NOM-052-SEMARNAT [64].
Tabla 4. 19 Valores de concentración de los metales en el lixiviado de la prueba
PECT
Metal
NaOH
Mezcla
Ca(OH)2
Mezcla
Hidroxido
mg/L
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
Cobre
Cromo
Niquel
Zinc
1.088
2.16666667
3.20233333
0.65643333
0.574
3
2.85531098
0.6982
96
4.7.3.2.1. Mezcla de metales con NaOH
Los porcentajes de retención para los metales en la mezcla de los mismos con el agente
precipitante NaOH están por arriba del 99%. Esto se traduce a que no hay lixiviación de
los metales hacia líquidos de los lodos obtenidos en la precipitación alcalina.
Los
porcentajes de retención de los metales en orden descendiente son los siguientes: zinc
99.9947%, Cobre 99.9945%, cromo 99.991% y níquel 99.982%.
Porcentaje de retención de los metales en la mezcla con
NaOH
100
98
96
%
94
92
90
Metales
Cobre
99.9946
Zinc
99.9947
Niquel
99.9892
Cromo
99.9911
Figura 4. 32 Porcentajes de retención de metales en la mezcla con NaOH después de
la prueba PECT
97
4.7.3.2.2 Mezcla de metales con Ca(OH)2
La cantidad de metales en el lixiviado proveniente de los lodos obtenidos de la
precipitación alcalina de la mezcla de metales con el hidróxido de calcio como agente
precipitante es mínima. Los porcentajes de retención de los metales se encuentran por
arriba del 99.95%. En orden descendente, la retención de metales es cobre, zinc, níquel y
cromo.
Porcentaje de retención de metales en la mezcla con
Ca(OH)2
100
98
96
%
94
92
90
Metales
Cobre
99.9957
Zinc
99.9916
Niquel
99.9857
Cromo
99.9816
Figura 4. 33 Porcentajes de retención de metales en la mezcla con Ca(OH)2 después
de la prueba PECT
98
4.7.3.3 Apariencia de lodos después de la prueba PECT
Los lodos después de la prueba PECT se hicieron de una consistencia cremosa, espesa, de
unos colores intensos y más difíciles de filtrar.
Lodos con hidróxido de sodio
provenientes de la prueba PECT
Níquel
Lodos con hidróxido de calcio
provenientes de la prueba PECT
Níquel
Cromo
Cromo
Zinc
Zinc
Cobre
Cobre
Mezcla de metales
Mezcla de metales
Figura 4. 34 Imágenes de los lodos como resultado del a prueba PECT
99
4.8 Propuesta de planta de tratamiento
Después de que se realizó la experimentación, se propone un diseño de una planta de
tratamiento de aguas residuales industriales. El tratamiento consta de 3 partes: pretratamiento, tratamiento y acondicionamiento de productos. Cada una de estas etapas
hace que la calidad de agua que sale después del tratamiento sea la correspondiente para
descargar a drenaje.
La parte de pre-tratamiento consta de unas barras (screens) para poder retirar la
mayor parte de partículas sólidas grandes que impidan el tratamiento, después es un
decantador, en donde partículas de tamaño mediano y relativamente pequeño se retiran
para poder facilitar el tratamiento de agua.
Dentro de la configuración propuesta,
también existe un tanque de igualación, para prever los cambios y fluctuaciones que se
den en el flujo dentro de la planta de tratamiento de aguas.
Ya entrando a la parte del tratamiento en si, éste consta principalmente de dos
partes. Una parte es el almacenamiento del hidróxido y la preparación de la solución a
utilizar, y la otra es el proceso de la precipitación alcalina. Para el almacenamiento se
tiene un silo, y la preparación se lleva a cabo en un tanque agitado de acerco al carbón.
En la etapa de la precipitación alcalina, se tiene a su vez un tanque de agitación en donde
las corrientes de entrada son el agua a tratar y el hidróxido como agente precipitante.
100
Después de llevarse a cabo la precipitación, el resultado pasa a un clarificador, en donde
se separa el agua de los lodos producidos.
Por último, en la etapa de acondicionamiento de productos, se tiene un filtro de
arena para el agua resultante del tratamiento en donde garantiza que no hay residuos de
los lodos metálicos generados. Por otra parte los lodos son almacenados y hacia el final
del día, se pasan ya sea al lecho de secado para lodos, con un tiempo de residencia de al
menos 5 días, o a un filtro prensa, con un tiempo de residencia de 2 horas. Este
acondicionamiento da la oportunidad de mejorar las características de los productos para
poder proponer la venta de los mismos y aumentar las ganancias.
A continuación, en la figura 4.35 se muestra un diagrama de bloques de lo que es
el tratamiento de agua propuesto. El área en color naranja claro muestra los equipos para
el pre-tratamiento, los equipos de color verde representan a la parte del proceso de
tratamiento, y los equipos en rosa pertenecen al acondicionamiento de productos. Es más
fácil ver las áreas de la planta y asociarlas con una acción característica.
Ya que se tiene el diagrama de flujo (figura 4.35) se procedió a hacer el diagrama
de equipo con sus correspondientes entradas y salidas de materia así como su
instrumentación. En la figura 4.36 se muestra el diagrama por equipos para la propuesta
de la planta de tratamiento. La parte naranja corresponde al pre-tratamiento, la verde a la
precipitación alcalina y la rosa al acondicionamiento de productos.
101
Figura 4. 35 Diagrama de flujo de bloques describiendo la configuración de la planta de tratamiento de agua residual
industrial por el método de precipitación alcalina
102
Figura 4. 36 Diagrama de flujo de equipos del tratamiento de agua residual por la precipitación alcalina
103
4.9 Análisis Económico
Un análisis económico evalúa la viabilidad económica que se puede definir como:
“condición que evalúa la conveniencia de un sistema, proyecto o idea al que califica,
atendiendo a la relación que existe entre los recursos empleados para obtenerlo y aquellos
de los que se dispone” [45]. Para todo proyecto realizado en nuestro tiempo, se debe de
tener un análisis económico para poder tener un indicador de dinero. Este indicador de
dinero se puede entender en este análisis como el flujo de efectivo, tiempo de
recuperación y el valor presente neto de la empresa a los 10 años de vida del proyecto.
Se utilizó un programa para realizar este análisis económico, y tener una forma
automática de calcular los parámetros económicos importantes y evaluar la viabilidad
económica de la planta
A partir de la configuración de la planta propuesta anteriormente, se realiza el
análisis económico teniendo en cuenta tres escenarios principales:
1. Donde se cobra por tratar el agua, el agua ya tratada se descarga al desagüe y el
lodo producido se dispone correctamente a un relleno de residuos peligrosos.
2. Donde se cobra por tratar el agua, el agua tratada se vende y el lodo obtenido se
dispone a un relleno de residuos peligrosos.
3. Donde se cobra por tratar el agua, el agua tratada se vende y el lodo obtenido se
vende.
104
Para realizar un análisis de sensibilidad, se presentaron 4 casos de caudal de
tratamiento de agua por día:
· 10 m3/día
· 25 m3/día
· 50 m3/día
· 100 m3/día
Tomando en cuenta los diferentes escenarios y los caudales especificados, se tiene
que los productos y sub-productos tienen los siguientes precios:
· Precio de agua a tratar: $6.87/m3 de agua.
· Precio de agua tratada $6.35/m3 de agua.
· Precio de lodo $6.2/kg de lodo.
Al hacer todos los cálculos e integrando todas las partes del análisis económico, se
obtiene los siguientes datos acerca del tiempo de recuperación (ver figura 4.37):
· Caudal 10 m3/día:
o En ningún escenario se recupera el dinero invertido (tiempo de
recuperación negativo).
· Caudal 25 m3/día:
o En ningún escenario se recupera el dinero invertido (tiempo de
recuperación negativo).
· Caudal 50 m3/día:
105
o En los escenarios 1 y 2 nunca se recupera la inversión hecha al principio
del proyecto.
o En el escenario 3 ya se tiene un periodo de recuperación de 36 años.
· Caudal 100 m3/día
o En los escenarios 1 y 2 no se recupera la inversión inicial del proyecto.
o En el escenario 3 el tiempo de recuperación de la inversión es de 16 años.
Dado a que la vida útil de la empresa y la depreciación del equipo es a 10 años, se
calculó otro caudal al cual se tiene un tiempo de recuperación menor a 10 años, el cual
fue 150 m3/día. Con este caudal, se sigue viendo la tendencia de que en los dos primeros
escenarios, no se recupera la inversión y en el tercero, el tiempo de recuperación es de 7
años.
Comparación de tiempos de recuperación a
diferentes caudales y los diferentes escenarios
40
20
años
0
escenario 1
-20
escenario 2
escenario 3
-40
1
2
3
4
5
caudal [m 3/día]
Figura 4. 37 Tiempo de recuperación de inversión a los diferentes caudales y los
diferentes escenarios
106
Si se quiere tener un tiempo de recuperación de 10 años, con un caudal de 50
m3/día, el precio de agua a tratar debería de ser de $18.50/m3, y para 100 m3/día el precio
debería de ser $12.50/m3.
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