Polielectrolitos no iónicos

COMO SELECCIONAR UN COAGULANTE Y UN FLOCULANTE
Primera parte
Para un proceso de clarificación siempre se hará necesario considerar la adición de químicos que
incrementen la eficiencia de la operación. Las consideraciones parten por el hecho de que ningún
equipo es 100% eficiente. Otras consideraciones tienen que ver con la relación entre los costos de
inversión en equipos y los costos de operación. Puede ser que dadas las restricciones de capital, lo
conveniente sea reducir el tamaño de los equipos si se puede conseguir los resultados con el
tratamiento químico. Otra razón tiene que ver con la disponibilidad o costo del terreno que no
permite la utilización de procesos extensos y por lo tanto la optimización de los recursos debe ser
la prioridad.
Los tratamientos químicos encuentran una utilización típica para la eliminación de los coloides y
sólidos suspendidos en un medio acuoso, incluyendo la dureza del calcio y del magnesio, turbidez
de origen mineral, coloración de origen orgánica y otras sustancias orgánicas y la eliminación de
especies microbiológicas indeseables causantes de enfermedades.
Las cuatro categorías de químicos utilizados son:
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Cal para el ablandamiento y precipitación de carbonatos
Coagulantes y floculantes para la eliminación de sólidos y coloides en suspensión
Carbón activado para la eliminación de sabores y olores
Desinfectantes para la eliminación de especies patógenas (Greville, 1979)
Existen tres clase de consideraciones que son muy importantes para poder escoger el producto
más adecuado a ser incorporado en un proceso:
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La calidad del agua entrando al proceso
Las características de los equipos y del proceso
Los objetivos que se persiguen
Un proceso de clarificación usualmente comprende las siguientes operaciones:
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Coagulación
Floculación
Sedimentación
Filtrado
En este artículo, en la primera parte, nos vamos a enfocar en los procesos de coagulación, para en
la segunda parte, tratar sobre la floculación. Los dos procesos que son generalmente la clave para
obtener el mejor resultado en la clarificación.
Las técnicas del control de coagulación han avanzado lentamente, generalmente la dosificación se
basa en el ojo del operador, tratándose más bien de un arte conseguido con los años de
experiencia. Muchas veces, de manera equivocada, se ha asumido, que tratándose de la
dosificación, que si poco era bueno, más era mejor, pero usualmente el caso es que era peor.
LA INTERACCIÓN DE LOS COLOIDES
LA CARGA DE LAS PARTÍCULAS PREVIENE LA COAGULACIÓN
La clave para una efectiva coagulación y floculación es una comprensión de los mecanismos de
interacción entre los coloides. Las partículas que generan turbidez están en un rango de tamaño
de 0.1 a 100 micrones. Las partículas más grandes son relativamente fáciles de sedimentar o
filtrar. El rango del tamaño de los coloides de 0.1 a 5 micras son las que presentan el real desafío.
El tiempo en que llegan a sedimentar es sumamente largo y escapan y no son retinadas en la
filtración.
Las partículas coloidales llevan una pequeña carga, generalmente negativa. Esto hace que las
partículas se repelan unas a otras evitando la aglomeración y la posterior floculación. Como
resultado de esta particularidad, los coloides tienden a permanecer separados, dispersos y en
suspensión.
Si por el contrario la carga es significativamente reducida o eliminada, los coloides se juntan.
Primero formando pequeños grupos, luego grandes agregados y finalmente formando partículas
visibles de flóculos que sedimentan rápidamente o pueden ser fácilmente filtrados.
FUERZAS ELÉCTRICAS
EL MODELO DE LA DOBLE CAPA
El modelo de doble capa es utilizado para visualizar el ambiente iónico en la vecindad de un
coloide cargado eléctricamente y explica las fuerzas eléctricas involucradas.
Inicialmente, la atracción desde el coloide negativo, hace que muchos de los iones positivos,
denominados contra-iones, formen una firme capa adherida alrededor de la superficie del
coloide. Esta capa de los iones positivos es conocida como la capa de Stern.
Adicionalmente alejándose de la superficie, los iones positivos son aún atraídos por el coloide
negativo pero son repelidos por la capa de iones positivos de la capa de Stern, así como de otros
iones positivos que están tratando de acercarse al coloide, dando como resultado la formación de
una capa difusa de iones positivos. La capa difusa de contra-iones tiene una gran concentración de
estos iones cerca del coloide que gradualmente decrece con la distancia hasta que logra un
equilibrio con la concentración normal de iones positivos de la solución.
De manera similar pero opuesta, existe una ausencia de iones negativos en la vecindad de la
superficie, debido a que son repelidos por el coloide negativo. Los iones negativos, que son
denominados co-iones, debido a que tienen la misma carga negativa que el coloide, su
concentración gradualmente se incrementará en la medida que la fuerza repulsiva sea
neutralizada por los iones positivos, hasta que se logra un equilibrio de los co-iones en la solución.
Los iones adheridos en la capa de Stern y la atmósfera cargada en la capa difusa es a lo que en
conjunto nos referimos como modelo de doble capa. (Potencial Zeta; Un Curso Completo en Cinco
Minutos, 1997)
Mediante la adición de productos químicos que alteren las fuerzas de repulsión es posible
conseguir que los coloides se aglomeren en grandes conglomerados. Estos productos son
conocidos como coagulantes, en su mayoría compuestos de origen químico compuestos de iones
positivos contra iones, como los cloruros o policloruros de aluminio (Al+3).
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DETERMINANTES PARA LA COAGULACIÓN
ALCALINIDAD
Los coagulantes como el sulfato de aluminio, el PACl y el sulfato férrico necesitan consumir
alcalinidad para completar las reacciones de hidrólisis que permitan a los coagulantes funcionar. Si
el agua a ser tratada tiene menos de 50 mg/l se tienen dos alternativas o añadir un compuesto
alcalino como hidróxido de sodio, hidróxido de cal o carbonato de sodio (NaOH, Ca(OH)2 o Na2CO3)
o utilizar un coagulante de alta basicidad (>50%) como el PACl o el clohidrato de aluminio ACH.
Ph
El pH del agua, determinará o eliminará también que coagulante se pueden utilizar. Si el pH es
mayor que 8,5 se deberá utilizar un coagulante altamente acídico. Las sales férricas son adecuadas
a las condiciones ácidas. El coagulante que se escoja será determinante en la determinación del pH
del agua tratada.
TURBIEDAD
La turbiedad en aguas crudas procedentes de cuerpos naturales de agua dulce normalmente tiene
su origen en la cantidad de coloides de arcillas y de partículas de silicatos en suspensión. En aguas
de baja turbidez (<10 NTU) no se deben utilizar polielectrolítos orgánicos. A partir de turbiedades
medias y altas (>100) se pueden considerar los polielctrolitos orgánicos y el PACl en vez de sulfato
férrico o de aluminio.
SUSTANCIAS QUÍMICAS UTILIZADAS EN LA COAGULACIÓN (Varios, 2004)
Según su naturaleza, los floculantes pueden ser:
Minerales: por ejemplo la sílice activada. Se le ha considerado como el mejor floculante capaz de
asociarse a las sales de aluminio. Se utiliza sobre todo en el tratamiento de agua potable.
Orgánicos: son macromoléculas de cadena larga y alto peso molecular, de origen natural o
sintético.
Los floculantes minerales son los productos químicos más usados como coagulantes en el
tratamiento de las aguas, como son el sulfato de aluminio, el cloruro férrico, el sulfato ferroso y
férrico y el cloro sulfato férrico.
Los floculantes orgánicos de origen natural se obtienen a partir de productos naturales como
alginatos (extractos de algas), almidones (extractos de granos vegetales) y derivados de la
celulosa. Su eficacia es relativamente pequeña.
Los de origen sintético, son macromoléculas de cadena larga, solubles en agua, conseguidas por
asociación de monómeros simples sintéticos, alguno de los cuales poseen cargas eléctricas o
grupos ionizables por lo que se le denominan polielectrolitos.
Según el carácter iónico de estos grupos activos, se distinguen:
Polielectrolitos no iónicos: son poliacrilamidas de masa molecular comprendida entre 1 y 30
millones.
Polielectrolitos aniónicos: Caracterizados por tener grupos ionizados negativamente (grupos
carboxílicos).
Polielectrolitos catiónicos: caracterizados por tener en sus cadenas una carga eléctrica positiva,
debida a la presencia de grupos amino.
los polielectrolitos puede dividirse en tres categorías:
En la primera, los polielectrolitos actúan como coagulantes rebajando la carga de las partículas.
Puesto que las partículas del agua residual están cargadas negativamente, se utilizan a tal fin los
polielectrolitos catiónicos.
La segunda forma de acción de los polielectrolitos es la formación de puentes entre las partículas.
El puente se forma entre las partículas que son adsorbidas por un mismo polímero, las cuales se
entrelazan entre sí provocando su crecimiento.
La tercera forma de actuar se clasifica como una acción de coagulación-formación de puentes, que
resulta al utilizar polielectrolitos catiónicos de alto peso molecular. Además de disminuir la carga,
estos polielectrolitos formarán también puentes entre las partículas.
COAGULANTES MINERALES
SULFATO DE ALUMINIO
Puede estar en forma sólida o líquida. La sólida se presenta en placas compactas, gránulos de
diversos tamaños y en polvo. Su fórmula teórica es Al2(SO4)3.18H2O. Su calidad se define
usualmente por su contenido en alúmina, expresada en AlO3, es decir el 17% aproximadamente.
La densidad aparente del sulfato de aluminio en polvo es del orden de 1000 kg/m3.
El contenido en alúmina Al2O3 de la forma líquida fluctúa alrededor del 8 y del 8,5% o equivalente
a 630 a 650 g de Al2(SO4)3 18H2O por litro de solución acuosa.
El pH varía entre 2 y 3,8 siendo sus soluciones acuosas muy ácidas, por lo que su almacenamiento
debe hacerse en un lugar seco libre de humedad. Es necesario tener en cuenta esta tendencia
ácida para la preparación de la soluciones y los empaques para su distribución, por lo general,
materiales de plástico.
OTROS COMPONENTES DE ALUMINIO
Se pueden también emplear otras sales de aluminio como el cloruro de aluminio (ACH)y el
aluminato sódico, polihidroxido de cloruro de aluminio (PACl)
CLORURO FÉRRICO
Se presenta en forma sólida o líquida. Esta última es la más usada en e tratamiento del agua. La
forma sólida es cristalina, de color pardo, delicuescente (que se disuelve con la humedad del aire)
de fórmula teórica FeCl3.6H2O. Se funde fácilmente en su agua de cristalización a 34 oC, por lo
que es necesaria protegerla del calor.
La fórmula líquida comercial tiene un promedio de 40% de FeCl3. Para evitar toda confusión entre
los contenidos de producto puro o de producto comercia, es recomendable expresar la dosis de
coagulantes en Fe equivalentes; es decir 20,5% para la fórmula sólida y 14% aproximadamente
para la solución acuosa comercial. En prescencia de hierro, las soluciones acuosas de cloruro
férrico, se reducen rápidamente a cloruro ferroso FeCl2. Esta recación explica su gran poder
corrosivo frente el acero y la necesidad de seleccionar adecuadamente el material de los
recipientes de almacenamiento, de preparación y de distribución.
SULFATO FERROSO
El sulfato ferroso usado en el tratamiento de agua es un polvo de color verde muy soluble y tiene
una masa volumétrica aparente próxima a 900 kg/m3.
Su contenido en hierro es de aproximadamente 19%. Por su naturaleza ácida, el pH de una
solución al 10% es de 2,8 aproximadamente. Por esta razón, para su almacenamiento y
preparación se usa material plástico.
COAGULANTES SINTÉTICOS – AYUDANTES DE COAGULACIÓN
Los polielectrolitos que intensifican la acción floculante de los coagulantes metálicos (tales como
la alúmina) son llamados ayudantes de coagulación o de floculación.
Son un medio para ajustar las características de sedimentación y la resistencia del flóculo. Son una
excelente herramienta para compensar con problemas estacionales cuando la alúmina no es
eficiente. So utilizados inclusiva para incrementar la capacidad de la planta sin tener que
incrementar su tamaño.
Su uso es bastante generalizado en los países desarrollados; para ser usados, deben ser
aprobados, previa evaluación, por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)
a partir de datos toxicológicos confidenciales presentados por las industrias productoras.
Son polímeros aniónicos, catiónicos (de polaridad muy variable) o neutros, los cuales pueden
presentar forma sólida (polvo) o líquida. Son sustancias de un alto peso molecular, de origen
natural o sintético. Requieren ensayos de coagulación y floculación antes de su elección.
Los polímeros en polvo se usan bajo la forma de suspensión, que puede contener entre 2 y 10 g/L;
la duración de las suspensiones es inferior a una semana. Por lo general, requieren un tiempo de
contacto entre 30 y 60 minutos. Por lo general, se usan dosis pequeñas (0,1 a 1 g/L).
Para los polímeros líquidos, la distribución se hace a las mismas concentraciones, expresadas en
producto seco.
La solubilidad de los polímeros es variable y su viscosidad elevada (hasta100 poises para
concentraciones de 5 g/L). La masa volumétrica aparente varía de 300 a 600 kg/m3. Los polímeros
generalmente ejercen acción sobre el acero no protegido.
Si un polímero contiene grupos ionizantes, se lo conoce como polielectrolito.
Los polímeros sólidos son generalmente poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada y son no
iónicos. Los líquidos son generalmente soluciones catiónicas, que contienen de 10 a 60% de polímero
activo.
1.
Polímeros no iónicos
(a) Óxido de polietileno
(– CH2 – CH2 – O –)
(b) Poliacrilamida
– CH2 – CH –
C= O
NH2
n
2.
Polielectrolitos aniónicos
(a) Ácido poliacrílico
– CH2 – CH –
C=O
OH
n
(b) Poliacrilamida hidrolizada
– CH2 – CH –
– CH2 – CH –
C= O
HN2
C=O
O
m
n
n
Sulfonato de poliestireno
– CH – CH –
C
HC
CH
HC
CN
C
SO3
n
Polielectrolitos catiónicos
Cat-floc (polidialildimetilamonio)
CH2
HC
CH–
H2C
CH2
+
N
H3C
CH3 n
(e) Imina de polietileno
– CH2 – CH2 – NH2 –
Principales Coagulantes Primarios y Secundarios
Nombre Químico
Sulfato de Auminio (Alúmina)
Sulfato Ferroso
Sulfato Férrico
Cloruro Férrico
Polímero catiónico
Hidróxido de calcio (Lime)
Oxido de calcio(Quicklime)
Aluminato de sodio
Bentonita
Carbonato de calcio
Silicato de sodio
Polímero aniónico
Polímero noniónico
Fórmula Química
Al2(SO4)3 · 14 H2O
FeSO4 · 7 H2O
Fe2(SO4)3 · 9 H2O
FeCl3 · 6 H2O
varias
Ca(OH)2
CaO
Na2Al2O4
Clay
CaCO3
Na2SiO3
varias
varias
Coagulante Coagulante
Primario Secundario
X
X
X
X
X
X*
X*
X*
X
X
X
X
X
X
X
X
X
* Usados como coagulantes primarios, solamente en procesos de ablandamiento de agua
LOS COAGULANTE NATURALES
Los coagulante naturales que se extraen de la corteza de la Acacia Negra (Acacia mearnsii) son de
carácter catiónico los que presentan una fuerte acción coagulante que actúa en sistemas de
partículas coloidales en aguas residuales neutralizando las cargas y aglutinando (coagulando) las
partículas en suspensión. Son polímeros polifenólicos de base natural, con un intenso carácter
quelante, lo que les confiere un carácter extremadamente reactivo.
Debido a su carácter natural y a que no presenta metales en su estructura, no consume alcalinidad
del medio, ya que no sufre hidrólisis en solución y su eficacia como coagulante es siempre óptima.
Las ventajas del uso de coagulantes derivados de la acacia frente a la de los minerales son:
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No consume la alcalinidad del medio al no sufrir hidrólisis en solución, por lo que su
eficacia como coagulante es siempre óptima.
No altera el pH del sistema y tiene un amplio rango efectivo de 4,5 a 9,0.
Reduce o elimina el uso de agentes alcalinizantes, como hidróxido sódico o cálcico.
Protege contra la corrosión de las partes metálicas, no incrementando la conductividad.
Proporciona una rápida floculación y decantación. Pudiendo actuar como coagulante o
floculante, elimina o reduce en gran medida el consumo de otros floculantes.Aplicación y
reutilización
Mejora la relación coste/beneficio respecto a otros coagulantes inorgánicos y/o sintéticos.
Presente en estado líquido, está listo para su aplicación, no requiriendo diluciones previas
o mezclas.
Es un polímero de base orgánica, derivado de extractos vegetales, totalmente respetuoso
con el medioambiente. No es corrosivo ni tóxico, favoreciendo los procesos biológicos.

Al no aportar elementos tóxicos, como el aluminio, favorece la deshidratación y posterior
reutilización del fango.
Otras ventajas

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

Actúa como agente desodorante, al secuestrar derivados de sulfuros, precursores del
ácido sulfhídrico.
Actúa como agente desodorante, formando complejos insolubles con especies orgánicas
como proteínas o carbohidratos.
Actúa como agente quelante, acomplejando diversos metales como hierro, manganeso o
aluminio.
Interacciona con los polisacáridos de la pared celular de las bacterias. Por ello, reduce el
consumo de productos biocidas u otros tratamientos terciarios.
Inconvenientes del uso de coagulantes de base vegetal derivados de la Acacia
El único inconveniente es que no existe una dosificación específica que funcione en todo tipo de
aguas residuales, por lo que hay que hacer un ensayo de Jar-test para determinar las dosis
óptimas.
Ejemplos de depuración de aguas residuales con coagulantes de base vegetal derivados de la
acacia
Bibliografía
Potencial Zeta; Un Curso Completo en Cinco Minutos. (1997)., (pág. 8).
Greville, A. S. (1979). How to Select a Chemical Coagulant & Flocculant. Alberta Water &
Wastewater Operators Association (pág. 24). Alberta - Canada: 22th Annual Seminar
March 11- 14, 1997.
Varios. (2004). Tratamiento del Agua para Consumo Humano, Manual I , Teoría Volumen I.
Organización Panamericana de la Salud.