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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS ZONA POZA RICA TUXPAM EMPLEO DE DIVERSAS TECNOLOGIAS PARA LA ELIMINACION DE METALES EN AGUAS RESIDUALES MONOGRAFIA TRABAJO DE INVESTIGACION PARA ACREDITAR LA MATERIA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL. PRESENTA YESENIA YASMIN REYES ORDUÑA ASESOR DR. ISRAEL HERNANDEZ ROMERO POZA RICA DE HGO, VER 2011 AGRADECIMIENTOS A DIOS Por ponerme en el lugar correcto, por darme la sabiduría para llevar a cabo la realización de este trabajo, gracias por darme esta gran oportunidad de concluir mi carrera profesional. A MIS PADRES Agradezco el sacrificio de ustedes, por sus palabras, su manera de hacerme ver la vida porque no hay mejor herencia que puedan darme, gracias por todos sus esfuerzos porque a pesar de muchas adversidades lograron su objetivo conmigo y aquí está el resultado a toda su dedicación. A MIS ABUELITOS Muchas gracias por ser como son, gracias por demostrarme el valor sobresalir sin necesidad de depender de ninguna persona, agradezco a la vida de tener a unas personas tan maravillosas como lo son ustedes, muchas gracias. A MIS HERMANOS ARLETTE Y RAFAEL Por los ejemplos que inconscientemente me han brindado y hay que superar, por estar siempre presentes, gracias por demostrarme su amor, pero sobre todo gracias por su paciencia y soportarme. A MI FAMILIA A todos ustedes que me dieron su apoyo durante mi carrera profesional, gracias por creer en mí, los quiero y les agradezco ya que de alguna manera me brindaron su ayuda cuando yo los necesitaba, gracias a mis nenes ethan y pepito por su cariño, los adoro. A MIS AMIGOS Adriana Rosales, Tayde Pedroza, Nachito Martínez, Yanay, Claudia Rodríguez, Abigail González, Dulce Romero, Indra Sisniega, a todos y cada uno de ustedes los quiero y les agradezco por ayudarme siempre que los necesitaba, gracias por todos los momentos que me regalaron durante tantos años. A MIS COMPEÑEROS DE LA CARRERA Gracias por todos los momentos buenos y malos que compartimos durante nuestra formación profesional, gracias por brindarme su apoyo y comprensión. AL DR. ISRAEL HDEZ. ROMERO Y AL MTRO. LUIS ELIAS CARDENAS PEREZ No tengo palabras para agradecerles el tiempo, paciencia y opiniones tan coherentes que me brindaron en este tiempo, así como la oportunidad para poder desarrollar este trabajo, gracias por su apoyo y confianza incondicional que nunca me cansare de agradecerles. Y en general a todos los catedráticos de la facultad de ciencias químicas por haberme brindado sus conocimientos, gracias. Índice Introducción Objetivo Contenido Capítulo I Generalidades 3 1.1 Tratamiento de las aguas residuales 3 1.2 Etapas del tratamiento 5 1.2.1 Tratamiento primario 5 1.2.1.1 Remoción de sólidos 5 1.2.1.2 Remoción de arena 6 1.2.1.3 Sedimentación 6 1.2.2 Tratamiento secundario 7 1.2.2.1 Filtros de desbaste 8 1.2.2.2 Fangos activos 8 1.2.2.3 Camas filtrantes 9 1.2.2.4 Filtros aireados biológicos 1.2.3 Tratamiento terciario 10 10 1.2.3.1 Filtración 10 1.2.3.2 Desinfección 10 1.2.3.3 Lagunaje 11 1.2.3.4 Remoción de nutrientes 11 1.3 Tratamiento de fangos 12 1.3.1 La digestión anaeróbica 12 1.3.2 La digestión aeróbica 13 1.3.3 La composta o abonamiento 13 1.4 Impurezas que se encuentran en los desechos industriales 14 1.5 Tecnologías para el control de efluentes 14 1.5.1Requerimientos 14 1.5.2 Clasificación de las tecnologías 16 Capítulo II Tecnologías empleadas 2.1 Tecnología de membrana 2.1.1 La filtración de membrana 21 21 22 2.1.2 Mantenimiento de los procesos de los sistemas de filtración de Membrana 24 2.1.3 Sistemas de membranas 24 2.1.4 Obstrucción de membranas 24 2.1.5 Limpieza de la membrana 25 2.1.6 Tipos de membranas 25 2.1.6.1 Membranas densas 25 2.1.6.2 Membranas cargadas eléctricamente 25 2.1.6.3 Membranas anisótropas 26 2.2 Tecnología de oxidación 26 2.2.1 Oxidación química 26 2.2.2 Oxidación húmeda no catalítica 26 2.2.3 Oxidación húmeda catalítica 27 2.3 Tecnología de electroquímica 28 2.3.1 Aspectos innovadores de la tecnología 31 2.3.2 Sectores de aplicación 32 Capítulo III Procesos de eliminación 33 3.1 Proceso de adsorción 34 3.1.1 Parámetros de adsorción 36 3.1.1.1 Tiempo de equilibrio 36 3.1.1.2 Efecto del PH 36 3.1.1.3 Efecto del medio iónico 37 3.1.1.4 Efecto de la concentración inicial del soluto 3.1.2 Ventajas y características 3.2 Proceso electroquímico 37 38 38 3.2.1 Oxidación en ánodo 39 3.2.2 Reducción en cátodo 39 3.3 Proceso de intercambio iónico 40 3.3.1 Propiedades del proceso de intercambio iónico 40 3.3.2 Ventajas del proceso 42 3.4 Proceso de precipitación química 42 Conclusiones 45 Bibliografía 46 INTRODUCCION El adecuado tratamiento de aguas residuales industriales y su posterior reutilización para múltiples usos, contribuye a un consumo sostenible del agua y a la regeneración ambiental del dominio público hidráulico, marítimo y de sus ecosistemas. Sin olvidar que el agua de calidad es una materia prima crítica para la industria. Muchos de los compuestos orgánicos e inorgánicos que se han identificado en aguas residuales industriales son objeto de regulación especial debido a su toxicidad o a sus efectos biológicos a largo plazo. La finalidad de este trabajo es dar a conocer la gran variedad de tratamientos para las aguas residuales así como sus características, ventajas y desventajas y que la difusión de esta información motive a que se manifieste la importancia que merecen, y sobre todo hacer mención de algunas técnicas como alternativa para la eliminación de metales en aguas residuales. En el capítulo II se describen las tecnologías empleadas para poder llegar a los procesos de eliminación; se mencionan algunas ventajas, características y utilidad para estas tecnologías dando prioridad a las tecnologías de membrana, de oxidación y electroquímica. En el capítulo III se hablará de la toxicidad de los metales pesados en aguas residuales, así como la utilización de técnicas adecuadas para poder llegar a los procesos de eliminación de los metales en las aguas residuales como son el proceso de adsorción, electroquímico, de intercambio iónico y por último de precipitación química. Se presenta en las conclusiones, el reconocimiento de la importancia de estas tecnologías y procesos de eliminación de metales en aguas residuales. En la bibliografía, se incluye una revista y libros consultados así como algunas páginas de internet donde se encontró información utilizada. Objetivo Comparar los procesos como son: adsorción, electroquímico, intercambio iónico y precipitación química para eliminar los metales perjudiciales para la salud humana y medio ambiente de las aguas residuales, y así seleccionar el más adecuado tanto económico como sencillo pero sobre todo que sea cuidadoso con el medio ambiente. CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 Tratamiento de las aguas residuales Consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los diversos contaminantes presentes en el agua efluente de uso humano. El objetivo del tratamiento es producir agua limpia (o efluente tratado) o reutilizable en el ambiente y un residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) convenientes para su disposición o reuso. Es muy común llamarlo depuración de aguas residuales para distinguirlo del tratamiento de aguas potables. Las aguas residuales son generadas por residencias, instituciones y locales comerciales e industriales. Éstas pueden ser tratadas dentro del sitio en el cual son generadas (por ejemplo: tanques sépticos u otros medios de depuración) o bien pueden ser recogidas y llevadas mediante una red de tuberías - y eventualmente bombas - a una planta de tratamiento municipal. Los esfuerzos para recolectar y tratar las aguas residuales domésticas de la descarga están típicamente sujetas a regulaciones y estándares locales, estatales y federales (regulaciones y controles). A menudo ciertos contaminantes de origen industrial presentes en las aguas residuales requieren procesos de tratamiento especializado. Las aguas residuales son provenientes de tocadores, baños, regaderas o duchas, cocinas, etc.; que son desechados a las alcantarillas o cloacas. En muchas áreas, las aguas residuales también incluyen algunas aguas sucias provenientes de industrias y comercios. La división del agua casera drenada en aguas grises y aguas negras es más común en el mundo desarrollado, el agua negra es la que procede de inodoros y orinales y el agua gris, procedente de piletas y bañeras, puede ser usada en riego de plantas y reciclada en el uso de inodoros, donde se transforma en agua negra. Muchas aguas residuales también incluyen aguas superficiales procedentes de las lluvias. Las aguas residuales municipales contienen descargas residenciales, comerciales e industriales, y pueden incluir el aporte de precipitaciones pluviales cuando se usa tuberías de uso mixto pluvial - residuales. Típicamente, el tratamiento de aguas residuales comienza por la separación física inicial de sólidos grandes (basura) de la corriente de aguas domésticas o industriales empleando un sistema de rejillas (mallas), aunque también pueden ser triturados esos materiales por equipo especial; posteriormente se aplica un desarenado (separación de sólidos pequeños muy densos como la arena) seguido de una sedimentación primaria (o tratamiento similar) que separe los sólidos suspendidos existentes en el agua residual. Para eliminar metales disueltos se utilizan reacciones de precipitación que son aquellas en las que el producto es un sólido; se emplean en los métodos gravimétricos y en las titulaciones con precipitación y así eliminar plomo y fósforo principalmente. A continuación sigue la conversión progresiva de la materia biológica disuelta en una masa biológica sólida usando bacterias adecuadas, generalmente presentes en estas aguas. Una vez que la masa biológica es separada o removida (proceso llamado sedimentación secundaria), el agua tratada puede experimentar procesos adicionales (tratamiento terciario) como desinfección, filtración, etc. El efluente final puede ser descargado o reintroducido de vuelta a un cuerpo de agua natural (corriente, río o bahía) u otro ambiente (terreno superficial, subsuelo, etc.). Los sólidos biológicos segregados experimentan un tratamiento y neutralización adicional antes de la descarga o reutilización apropiada. Fig. 1 Planta de tratamiento de aguas residuales. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_de_aguas_residuales 1.2 Etapas del tratamiento Estos procesos de tratamiento son típicamente referidos a un: Tratamiento primario (asentamiento de sólidos) Tratamiento secundario (tratamiento biológico de la materia orgánica disuelta presente en el agua residual, transformándola en sólidos suspendidos que se eliminan fácilmente) Tratamiento terciario (pasos adicionales como lagunas, micro filtración o desinfección) 1.2.1 Tratamiento primario El tratamiento primario es para reducir aceites, grasas, arenas y sólidos gruesos. Este paso está enteramente hecho con maquinaria, de ahí conocido también como tratamiento mecánico. 1.2.1.1 Remoción de sólidos En el tratamiento mecánico, el afluente es filtrado en cámaras de rejas para eliminar todos los objetos grandes que son depositados en el sistema de alcantarillado, tales como trapos, barras, compresas, tampones, latas, frutas, papel higiénico, etc. Éste es el usado más comúnmente mediante una pantalla rastrillada automatizada mecánicamente. Este tipo de basura se elimina porque esto puede dañar equipos sensibles en la planta de tratamiento de aguas residuales, además los tratamientos biológicos no están diseñados para tratar sólidos. 1.2.1.2 Remoción de arena Esta etapa (también conocida como escaneo o maceración) típicamente incluye un canal de arena donde la velocidad de las aguas residuales es cuidadosamente controlada para permitir que la arena y las piedras de ésta tomen partículas, pero todavía se mantiene la mayoría del material orgánico con el flujo. Este equipo es llamado colector de arena. La arena y las piedras necesitan ser quitadas a tiempo en el proceso para prevenir daño en las bombas y otros equipos en las etapas restantes del tratamiento. Algunas veces hay baños de arena (clasificador de la arena) seguido por un transportador que lleva la arena a un contenedor para la deposición. El contenido del colector de arena podría ser alimentado en el incinerador en un procesamiento de planta de fangos, pero en muchos casos la arena es enviada a un terraplén. 1.2.1.3 Sedimentación Muchas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua residual se pasa a través de grandes tanques circulares o rectangulares. Estos tanques son comúnmente llamados clarificadores primarios o tanques de sedimentación primarios. Los tanques son lo suficientemente grandes, tal que los sólidos fecales pueden situarse y el material flotante como la grasa y plásticos pueden levantarse hacia la superficie y desnatarse. El propósito principal de la etapa primaria es producir generalmente un líquido homogéneo capaz de ser tratado biológicamente y unos fangos o lodos que puede ser tratado separadamente. Los tanques primarios de establecimiento se equipan generalmente con raspadores conducidos mecánicamente que llevan continuamente los fangos recogidos hacia una tolva en la base del tanque donde mediante una bomba puede llevar a éste hacia otras etapas del tratamiento. Fig. 2 Tanque de sedimentación primaria en una planta rural. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_de_aguas_residuales 1.2.2 Tratamiento secundario El tratamiento secundario es designado para substancialmente degradar el contenido biológico de las aguas residuales que se derivan de la basura humana, basura de comida, jabones y detergentes. La mayoría de las plantas municipales e industriales trata el licor de las aguas residuales usando procesos biológicos aeróbicos. Para que sea efectivo el proceso biótico, requiere oxígeno y un substrato en el cual vivir. Hay un número de maneras en la cual esto está hecho. En todos estos métodos, las bacterias y los protozoarios consumen contaminantes orgánicos solubles biodegradables (por ejemplo: azúcares, grasas, moléculas de carbón orgánico, etc.) y unen muchas de las pocas fracciones solubles en partículas de flóculo. Los sistemas de tratamiento secundario son clasificados como película fija o crecimiento suspendido. En los sistemas fijos de película –como los filtros de roca- la biomasa crece en el medio y el agua residual pasa a través de él. En el sistema de crecimiento suspendido –como fangos activos- la biomasa está bien combinada con las aguas residuales. Típicamente, los sistemas fijos de película requieren superficies más pequeñas que para un sistema suspendido equivalente del crecimiento, sin embargo, los sistemas de crecimiento suspendido son más capaces ante choques en el cargamento biológico y provee cantidades más altas del retiro para el DBO y los sólidos suspendidos que sistemas fijados de película. Fig. 3 Tanque de sedimentación secundaria en una planta rural. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_de_aguas_residuales 1.2.2.1 Filtros de desbaste Los filtros de desbaste son utilizados para tratar particularmente cargas orgánicas fuertes o variables, típicamente industriales, con el fin de que sean tratadas por procesos de tratamiento secundario. Son filtros típicamente altos, filtros circulares llenados con un filtro abierto sintético en el cual las aguas residuales son aplicadas en una cantidad relativamente alta. El diseño de los filtros permite una alta descarga hidráulica y un alto flujo de aire. En instalaciones más grandes, el aire se forza a través del medio usando sopladores. El líquido resultante está usualmente con el rango normal para los procesos convencionales de tratamiento. 1.2.2.2 Fangos activos Las plantas de fangos activos usan una variedad de mecanismos y procesos para usar oxígeno disuelto y promover el crecimiento de organismos biológicos que remueven substancialmente materia orgánica. También puede atrapar partículas de material y puede, bajo condiciones ideales, convertir amoniaco en nitrito y nitrato, y en última instancia a gas nitrógeno. Fig. 4 Filtro oxidante en una planta rural. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_de_aguas_residuales 1.2.2.3 Camas filtrantes Se utiliza la capa filtrante de goteo utilizando plantas más viejas y plantas receptoras de cargas más variables, las camas filtrantes son utilizadas donde el licor de las aguas residuales es rociado en la superficie de una profunda cama compuesta de coque (carbón, piedra caliza o fabricada especialmente de medios plásticos). Tales medios deben tener altas superficies para soportar las biopelículas que se forman. El licor es distribuido mediante unos brazos perforados rotativos que irradian de un pivote central. El licor distribuido gotea en la cama y es recogido en drenes en la base. Estos drenes también proporcionan un recurso de aire que se infiltra hacia arriba de la cama, manteniendo un medio aerobio. Las películas biológicas de bacterias, protozoarios y hongos se forman en la superficie media y digieren o reducen los contenidos orgánicos. Esta biopelícula es alimentada a menudo por insectos y gusanos. 1.2.2.4 Filtros aireados biológicos Filtros aireados (o anóxicos) biológicos (BAF) combinan la filtración con reducción biológica de carbono, nitrificación o desnitrificación. BAF incluyen usualmente un reactor lleno de medios de un filtro. Los medios están en suspensión o apoyados por una capa en el pie del filtro. El propósito doble de este medio es soportar altamente la biomasa activa que se une a él y a los sólidos suspendidos del filtro. La reducción del carbón y la conversión del amoniaco ocurre en medio aerobio y alguna vez alcanzado en un sólo reactor mientras la conversión del nitrato ocurre en una manera anóxica. BAF es también operado en flujo alto o flujo bajo dependiendo del diseño especificado por el fabricante. 1.2.3 Tratamiento terciario El tratamiento terciario proporciona una etapa final para aumentar la calidad del efluente al estándar requerido antes de que éste sea descargado al ambiente receptor (mar, río, lago, campo, etc.) Más de un proceso terciario del tratamiento puede ser usado en una planta de tratamiento. Si la desinfección se practica siempre en el proceso final, es siempre llamada “pulir” el efluente. 1.2.3.1 Filtración La filtración de arena remueve gran parte de los residuos de materia suspendida. El carbón activado sobrante de la filtración remueve las toxinas residuales. 1.2.3.2 Desinfección El propósito de la desinfección en el tratamiento de las aguas residuales es reducir substancialmente el número de organismos vivos en el agua que se descargará nuevamente dentro del ambiente. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua que es tratada (por ejemplo: turbiedad, pH, etc.), del tipo de desinfección que es utilizada, de la dosis de desinfectante (concentración y tiempo), y de otras variables ambientales. El agua turbia será tratada con menor éxito puesto que la materia sólida puede blindar organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos del contacto son bajos. Generalmente, tiempos de contacto cortos, dosis bajas y altos flujos influyen en contra de una desinfección eficaz. Los métodos comunes de desinfección incluyen el ozono, la clorina, o la luz UV. La Cloramina, que se utiliza para el agua potable, no se utiliza en el tratamiento de aguas residuales debido a su persistencia. 1.2.3.3 Lagunaje El tratamiento de lagunas fomenta la mejora biológica de almacenaje en charcos o lagunas artificiales. Se trata de una imitación de los procesos de autodepuración que somete un río o un lago al agua residual de forma natural. Estas lagunas son altamente aerobias y la colonización por los macrophytes nativos, especialmente cañas, se dan a menudo. Los invertebrados de alimentación del filtro pequeño tales como Daphnia y especies de Rotífera asisten grandemente al tratamiento removiendo partículas finas. El sistema de Lagunaje es barato y fácil de mantener pero presenta los inconvenientes de necesitar gran cantidad de espacio y de ser poco capaz para depurar las aguas de grandes núcleos. 1.2.3.4 Remoción de nutrientes Las aguas residuales poseen nutrientes que pueden también contener altos niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo) que eso en ciertas formas puede ser tóxico para peces e invertebrados en concentraciones muy bajas (por ejemplo amoníaco) o eso puede crear condiciones insanas en el ambiente de recepción (por ejemplo: mala hierba o crecimiento de algas). Las malas hierbas y las algas pueden parecer ser una edición estética, pero las algas pueden producir las toxinas, y su muerte y consumo por las bacterias (decaimiento) pueden agotar el oxígeno en el agua y asfixiar los peces y a otra vida acuática. Cuando se recibe una descarga de los ríos a los lagos o a los mares bajos, los nutrientes agregados pueden causar pérdidas entrópicas severas perdiendo muchos peces sensibles a la contaminación en el agua. La retirada del nitrógeno o del fósforo de las aguas residuales se puede alcanzar mediante la precipitación química o biológica. La remoción del nitrógeno se efectúa con la oxidación biológica del nitrógeno del amoníaco a nitrato (nitrificación que implica nitrificar bacterias tales como Nitrobacter y Nitrosomonus), y entonces mediante la reducción, el nitrato es convertido al gas nitrógeno (desnitrificación), que se lanza a la atmósfera. Estas conversiones requieren condiciones cuidadosamente controladas para permitir la formación adecuada de comunidades biológicas. Los filtros de arena, las lagunas y las camas de lámina se pueden utilizar para reducir el nitrógeno. Algunas veces, la conversión del amoníaco tóxico al nitrato solamente se refiere a veces como tratamiento terciario. 1.3 Tratamiento de fangos Los sólidos primarios gruesos y los biosólidos secundarios acumulados en un proceso del tratamiento de aguas residuales se deben tratar y disponer de una manera segura y eficaz. Este material a menudo se contamina inadvertidamente con los compuestos orgánicos e inorgánicos tóxicos (por ejemplo: metales pesados). El propósito de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de los microorganismos presentes en los sólidos que causan enfermedades. Las opciones más comunes del tratamiento incluyen la digestión anaerobia, la digestión aerobia, y el abonamiento. 1.3.1 La digestión anaeróbica La digestión anaeróbica es un proceso bacteriano que se realiza en ausencia del oxígeno. El proceso puede ser la digestión termofílica en la cual el fango se fermenta en tanques en una temperatura de 55 °C, o mesofílica, en una temperatura alrededor de 36 °C. Sin embargo permitiendo un tiempo de retención más corto, así en los pequeños tanques, la digestión termofílica es más expansiva en términos de consumo de energía para calentar el fango. La digestión anaerobia genera biogás con una parte elevada de metano que se puede utilizar para el tanque y los motores o las micro turbinas del funcionamiento para otros procesos en sitio. En plantas de tratamiento grandes, se puede generar más energía eléctrica de la requerida por las máquinas. La generación del metano es una ventaja dominante del proceso anaeróbico. Su desventaja dominante es la del largo plazo requerido para el proceso (hasta 30 días) y el alto costo de capital. 1.3.2 Digestión aeróbica La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre en presencia del oxígeno. Bajo condiciones aeróbicas, las bacterias consumen rápidamente la materia orgánica y la convierten en el dióxido de carbono. Una vez que haya una carencia de la materia orgánica, las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias. Esta etapa del proceso se conoce como respiración endógena. La reducción de los sólidos ocurre en esta fase. Porque ocurre la digestión aeróbica mucho más rápidamente, los costos de capital de digestión aerobia son más bajos. Sin embargo, los gastos de explotación son característicos por ser mucho mayores para la digestión aeróbica debido a los costes energéticos para la aireación necesitada para agregar el oxígeno al proceso. 1.3.3 La composta o abonamiento El abonamiento o composta es también un proceso aeróbico que implica el mezclar los sólidos de las aguas residuales con fuentes del carbón tales como aserrín, paja o virutas de madera. En presencia del oxígeno, las bacterias digieren los sólidos de las aguas residuales y la fuente agregada del carbón y, al hacer eso, producen una cantidad grande de calor. Los procesos anaerobios y aerobios de la digestión pueden dar lugar a la destrucción de microorganismos y de parásitos causantes de enfermedades a un suficiente nivel para permitir que los sólidos digeridos que resultan sean aplicados con seguridad a la tierra usada como material de la enmienda del suelo (con las ventajas similares a la turba) o usada para la agricultura como fertilizante a condición de que los niveles de componentes tóxicos son suficientemente bajos. 1.4 Impurezas que se encuentran en los desechos industriales Las aguas residuales galvánicas y metalúrgicas se constituyen en uno de los desechos industriales inorgánicos de gran poder contaminante por sus características tóxicas y corrosivas. Las impurezas que se pueden encontrar son numerosas, de naturaleza diferente, de concentración diferente y de tamaño diferente. Las características tóxicas, principalmente en las aguas residuales galvánicas, se deben a las concentraciones normalmente elevadas de cianuros y metales pesados. Además, la elevada acidez o alcalinidad de dichas aguas confieren al desecho un fuerte poder corrosivo. Dentro de las impurezas se pueden incluir aceites, grasas, espumas, minerales solubles como bicarbonatos, sulfatos, nitratos, cloruros, cianuros, gases disueltos como CO2, H2S, NH3, emulsionantes (orgánicos y tenso activos), aditivos (inorgánicos y orgánicos, para inducir el refinamiento del grano y la nivelación de la superficie del recubrimiento), y principalmente una apreciable concentración de metales como resultado de la disolución metálica de las piezas de trabajo [2]. El tamaño de las impurezas puede variar desde dimensiones submicrónicas (suspensiones coloidales) hasta milimétricas (arenas y partículas metálicas). 1.5 Tecnologías para el control de efluentes 1.5.1 Requerimientos Para determinar las operaciones y procesos unitarios a ser utilizados dentro de una planta de tratamiento de efluentes, previamente se necesita de un análisis de los siguientes factores técnicos y económicos: Volumen de las aguas de enjuague y variación del caudal. Características fisicoquímicas de las aguas de enjuague. Legislación sobre calidad de las aguas residuales. Flexibilidad para la instalación de la planta de tratamiento, tales como: área disponible, disposición de unidades, etc. Vialidad de segregación de varias corrientes de desechos dentro de la planta realizar tratamientos separados. Existencia de equipos apropiados para la planta de tratamiento y el costo de nuevos equipos que puedan ser necesarios. Costos de los reactivos químicos para efectuar los diferentes procesos del tratamiento. Mano de obra necesaria. Otros requerimientos, tales como: energía eléctrica, mantenimiento y costos involucrados en la disposición de lodos, etc. El volumen de las aguas residuales es sin duda el principal parámetro para el dimensionamiento de cualquier sistema de tratamiento físico, químico o biológico. En las instalaciones galvánicas el volumen de las aguas residuales a ser tratadas es de difícil cuantificación debido a las diversas variables que influyen en la misma. El volumen y la concentración en las aguas residuales es función principalmente: del volumen de producción, del sistema de operación (manual, semiautomático, automático) y fundamentalmente del sistema de enjuague (en contracorriente doble, triple; enjuague en serie, etc.). Las piezas al ser retiradas de cada baño galvánico arrastran consigo cantidades apreciables de solución, siendo el volumen arrastrado tanto mayor cuanto más compleja es la forma de las piezas a recubrir. Otros factores que también influyen son: concentración y temperatura del baño galvánico; posición, número y tamaño de las piezas en los baños galvánicos; temperatura del agua de enjuague; agitación en el tanque de enjuague; tiempo para el escurrimiento de las piezas en el baño galvánico; tiempo de contacto de las piezas con el agua de enjuague, etc., requiriéndose de esta manera un mayor volumen de agua de enjuague. Investigaciones realizadas en el tratamiento de dichas aguas, han demostrado que es importante que las aguas residuales galvánicas sean clasificadas en las siguientes cuatro categorías en función de las necesidades de segregación para efectos de su tratamiento posterior: Aguas residuales alcalinas que contienen cianuros. Aguas residuales acidas que contienen cromo. Aguas residuales alcalinas exentas de cianuros que contienen otros aniones. Aguas residuales acidas exentas de cromo que contienen otros metales pesados. 1.5.2 Clasificación de las tecnologías Muchas de las tecnologías existentes y emergentes, se basan en el tipo de contaminante predominante en el efluente líquido a tratar, en el caso de la industria galvánica y metalúrgica, la contaminación de las aguas se debe a la presencia de: cianuros, metales pesados, sólidos suspendidos, sólidos disueltos, amoniaco, arsénico, nitratos y sustancias orgánicas. En base a lo anterior, existen dos tipos de clasificaciones, de acuerdo a su utilización y de acuerdo al tipo de proceso. La experiencia ha demostrado que no basta la aplicación de un solo método, sino que generalmente una tecnología es efectiva cuando se usa en combinación con otra(s) tecnología(s). A) De acuerdo a su utilización se subdividen en: De uso amplio, referido a un método de tratamiento usado comúnmente. De uso limitado, es decir un método de tratamiento usado ocasionalmente. Único, método empleado en uno o más lugares. Piloto, método con eficiencia demostrada pero a escala menor que la comercial. Potencial, método que podría ser usado pero que no se hace por limitaciones económicas, etc. TABLA 1 Tecnologías para el control de efluentes de acuerdo a la categoría del afluente. CATEGORIA DEL TECNOLOGIA EFLUENTE 1-CIANURO Clase Método A. De uso amplio a) Degradación Natural b) peróxido de Hidrogeno 2.- ARSENICO B. De Uso Limitado a) Clorinación alcalina b) Acidificación-Volatilización Regeneración (AVR) c) Ingeniería de Pantanos d) Proceso de Oro Hemio C. De Uso Único a) Proceso de Biodegradación Homestake D. Piloto a) Proceso Degussa b) Intercambio Iónico (Combinado con AVR) E. Potencial a) Descomposición Electrolítica b) Ozonización c) Carbón Activado d) Proceso SO2 e)Proceso Utilizando Peróxido Kastone f) Adsorción Sobre El Sulfuro Ferroso A. De Uso Amplio a) Precipitación con Cloruro Férrico b) Precipitación con Sulfato Férrico c) Precipitación con Hidróxido d) Adición de Coagulantes/Floculantes B. Potencial a) Osmosis Inversa b) Intercambio Iónico 3.- METALES PESADOS A. De Uso Amplio a) Depósitos de Relaves b) Depósitos de Sedimentación c) Solidifación/Estabilización d) Precipitación como Hidróxido Cal Hidróxido de Sodio Carbonatos B. De Uso Limitado a) Sedimentación Mecánica b) Coagulantes/Floculantes en Combinación con agentes Precipitantes c) Precipitación con Sulfuros d) Filtración Mecánica e) Filtración Pasiva f) Intercambio Iónico 3.- METALES PESADOS C. Potencial a) Precipitación con Carbonatos b) Osmosis Inversa c) Electrodiálisis d) Ultra-Filtración e) Absorción con Carbón Activado f) Cementación g) Precipitación con Silicatos h) Proceso con Material Biológico 4.- SOLIDOS SUSPENDIDOS A.- De Uso Amplio a) Depósitos de Relaves b) Depósitos de Sedimentación c) Sumideros d) Coagulantes/Floculantes e) Sedimentadores Mecánicos B. De Uso Limitado a) Filtración Mecánica (de pulpas y lodos) b) Filtración Mecánica (de material suspendido) c) Filtración Pasiva d) Ingeniería de Pantanos 5.- SOLIDOS DISUELTOS A.- Potencial a) Precipitación Química b) Intercambio Iónico c) Osmosis Inversa d) Electrodiálisis e) Destilación con Membranas 6.- pH A.- De Uso Amplio a) Precipitación con Cal b) Precipitación con Caliza c) Precipitación con Hidróxido de Sodio B.- De Uso Limitado a) Acido Sulfúrico b) Bióxido de Carbono c) Hidróxido con Magnesio Fuente: http://www-bvsde.paho.org/bvsacd/cd27/galvanica-pdf B) De acuerdo al tipo de proceso se tienen aquellos con: flujo discontinuo, flujo continuo o en los llamados procesos directos. Procesos de flujo discontinuo o batch El método batch es normalmente empleado en plantas de tratamiento que manejan pequeños caudales de aguas residuales, sobre todo cuando se desea destoxificar o eliminar concentrados. Las aguas residuales son almacenadas durante un período de tiempo (puede ser un día o una semana) al final del cual son tratados mediante el uso de reactivos químicos. Este tipo de proceso batch es económico en instalaciones pequeñas, pero es inmanejable y costoso de operar cuando son instalaciones grandes. Es común emplear tecnologías como la precipitación química y la neutralización. Procesos de flujo continuo: una planta de tratamiento continuo es más compacta, costosa de instalar, pero económica de operar. El control automático es por lo general bastante complejo y el que define la eficiencia del proceso y virtualmente la única operación manual requerida es el mantenimiento de los instrumentos y de los dosificadores de reactivos químicos. El proceso continuo exige una igualación previa del caudal permitiendo una parcial estabilización de sus características fisicoquímicas, principalmente pH y concentración de metales pesados. Las aguas residuales fluyen continuamente de una unidad de tratamiento a otra, en cada una de las cuales, los reactivos químicos son adicionados en forma continua. Proceso directo o integrado: En este proceso las unidades de tratamiento son integradas dentro de la línea de electrodeposición. Las piezas al ser retiradas del baño galvánico son sumergidas en un baño que contiene los soluciones destoxificantes. Este proceso es menos costoso de instalar y ofrece una ligera economía en cuanto a los reactivos químicos para el tratamiento. La ventaja principal es que se destruye cianuros complejos y se reduce eficientemente el cromo hexavalente a trivalente trabajando con soluciones destoxificantes concentradas. Estas soluciones deben cambiarse una vez cada dos o tres meses. CAPITULO II TECNOLOGIAS EMPLEADAS 2.1 Tecnología de Membrana La tecnología de membrana se ha convertido en una parte importante de la tecnología de la separación en los últimos decenios. La fuerza principal de la tecnología de membrana es el hecho de que trabaja sin la adición de productos químicos, con un uso relativamente bajo de la energía y conducciones de proceso fáciles y bien dispuestas. La tecnología de la membrana es un término genérico para una serie de procesos de separación diferentes y muy característicos. Estos procesos son del mismo tipo porque en todos ellos se utiliza una membrana. Las membranas se utilizan cada vez más a menudo para la creación de agua tratada procedente de aguas subterráneas, superficiales o residuales. Actualmente las membranas son competitivas para las técnicas convencionales. El proceso de la separación por membrana se basa en la utilización de cuerpos semipermeables. El principio es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias. Hay varios métodos para permitir que las sustancias atraviesen una membrana. Ejemplos de estos métodos son la aplicación de alta presión, el mantenimiento de un gradiente de concentración en ambos lados de la membrana y la introducción de un potencial eléctrico. La membrana funciona como una pared de separación selectiva. Ciertas sustancias pueden atravesar la membrana, mientras que otras quedan atrapadas en ella. La filtración de membrana se puede utilizar como una alternativa a la floculación, las técnicas de purificación de sedimentos, la adsorción (filtros de arena y filtros de carbón activado, intercambiadores iónicos), extracción y destilación. Hay dos factores que determinan la efectividad de un proceso de filtración de membrana: selectividad y productividad. La selectividad se expresa mediante un parámetro llamado factor de retención o de separación (expresado en l/m 2 h). La productividad se expresa mediante un parámetro llamado flux (expresado en l/m2h). La selectividad y la productividad dependen de la membrana. 2.1.1 La filtración de membrana La filtración de membrana tiene bastantes ventajas frente a las técnicas existentes de purificación del agua: Es un proceso que puede ocurrir a baja temperatura. Esto es principalmente importante porque permite el tratamiento de los materiales sensible al calor. Es por esto que se aplican ampliamente para la producción de alimentos. Es un proceso de bajo coste energético. La mayor parte de la energía requerida es la necesaria para bombear los líquidos a través de la membrana. La cantidad total de energía utilizada es mínima comparada con las técnicas alternativas, tales como evaporación. El proceso puede ser fácilmente ampliado. La filtración de membrana se puede dividir en micro y ultra filtración por una parte y en nanofiltración y ósmosis inversa (RO o hiperfiltración) por la otra. La microfiltración es una tecnología plenamente consolidada en industrias como la Farmacéutica: esterilización del agua para fabricación de soluciones, industria de Componentes Electrónicos: eliminación de microcontaminantes de aguas de proceso, y alimentación: esterilización de vinos y jugos de frutas. La ultrafiltración utiliza diferencias de presión transmembrana de 100 - 800 kPa, con un intervalo de tamaño de poro de 10 Å – 1000 Å, pudiendo realizar separaciones de microsolutos como coloides y macromoléculas. Fig.5 Filtración de membrana Fuente: http://www.lenntech.es/tecnologia_de_membrana.htm La forma habitual de clasificar estas membranas es mediante el peso molecular de corte (cut-off Mw), definido como el peso molecular de las proteínas, de tipo globular, que la membrana puede separar en un 90 %. El intervalo de pesos moleculares de corte de las membranas de ultrafiltración es de 10 kD – 900 kD. Osmosis Inversa (RO) el proceso de RO consiste en generar, mediante una membrana permeable al agua, una solución acuosa con bajo contenido en sal a partir de otra con alto contenido en sal. Es la tecnología utilizada para producir agua desalada a partir de agua de mar. La nano-filtración se selecciona cuando la ósmosis inversa o la ultrafiltración no son opciones correctas para una separación. La nanofiltración puede utilizarse en aplicaciones tales como desmineralizado, remoción de color, y desalinización. En concentraciones de solutos orgánicos, sólidos en suspensión, e iones polivalentes, el permeado contiene iones monovalentes y soluciones orgánicas de sustancias de bajo peso molecular, como alcohol. 2.1.2 Mantenimiento de los procesos de los sistemas de filtración de membrana Los sistemas de filtración de membrana pueden ser manejados tanto en flujo frontal como en flujo tangencial. El propósito de la optimización de las técnicas de membrana es el logro de una producción lo más alta posible por un largo período de tiempo, con niveles aceptables de contaminación. 2.1.3 Sistemas de membrana La elección de un determinado tipo de sistema de membrana está determinada por un gran número de aspectos, tales como costes, riesgos de adaptación de las membranas, densidad de embalaje y oportunidades de limpieza. Las membranas nunca son aplicadas como una única placa plana, porque una gran superficie a menudo da lugar a altos costes de inversión. Es por esto que los sistemas son construidos de forma muy compacta, de manera que se consigue una gran superficie de membrana en el mínimo volumen posible. Las membranas se aplican en varios tipos de módulos. Hay dos tipos principales, llamados sistema tubular de membrana y sistema placa y marco de membrana. Los sistemas tubulares de membrana se dividen en membranas tubulares, capilares y de fibras huecas. Las membranas de placa y marco se dividen en membranas espirales y membranas almohadiformes. 2.1.4 Obstrucción de la membrana Durante los procesos de filtración de membrana la obstrucción de la membrana es inevitable, incluso con un pre-tratamiento suficiente. Los tipos y las cantidades de suciedad dependen de muchos factores diferentes, tales como la calidad del agua, tipo de membrana, material de la membrana y diseño y control de los procesos. Partículas, bioobstrucción y “scaling” son los tres tipos principales de suciedad en una membrana. Estos contaminantes hacen que se requiera una mayor carga de trabajo, para poder garantizar una capacidad continua de las membranas. Llegará el punto en el que la presión aumentará tanto que ya no será rentable ni económica ni técnicamente. 2.1.5 Limpieza de la membrana Existen unas cuantas técnicas de limpieza para la eliminación de la suciedad de membrana. Estas técnicas son de lavado por chorro delantero, lavado por chorro trasero, lavado por chorro de aire y limpieza química. 2.1.6 Tipos de membranas 2.1.6.1 Membranas densas Son estructuras sin poros donde el paso de las sustancias a través de la membrana sigue un modelo de solución-difusión, en el que los componentes de la solución se disuelven en la membrana y posteriormente se difunden a través de ella. La diferente solubilidad y difusividad de los componentes de la solución en la membrana permiten la separación de sustancia del tamaño de moléculas e iones. Debido a las fuertes presiones a las que tienen lugar estos procesos las membranas son de tipo anisótropo. La ósmosis inversa y la nanofiltración son procesos que utilizan este tipo de membranas. 2.1.6.2 Membranas cargadas eléctricamente Pueden ser porosas o densas, con restos aniónicos o catiónicos fijos en la estructura de la membrana. La separación es consecuencia de la carga de la membrana, siendo excluidos aquellos componentes cuya carga sea la misma que la de la membrana. La separación también depende de la carga y concentración de los iones de la solución: los iones monovalentes son excluidos menos eficazmente que los divalentes, así mismo, el proceso de separación es menos efectivo en soluciones de elevada fuerza iónica. Estas membranas se utilizan en los procesos de electrodiálisis. 2.1.6.3 Membranas anisótropas Las membranas anisótropas son estructuras laminares o tubulares donde el tamaño de poro, la porosidad o la composición de la membrana cambia a lo largo de su espesor. Están constituidas por una delgada película (densa o con poros muy finos) soportada en otra más gruesa y porosa, de tal forma que la primera es la responsable del proceso de separación y la segunda aporta al sistema la suficiente resistencia mecánica para soportar las condiciones de trabajo. La película responsable del proceso de separación y la que aporta la resistencia mecánica pueden estar fabricadas con el mismo material (Membranas de Loeb-Sourirajan) o con materiales diferentes (membranas de tipo composite). 2.2 Tecnología de oxidación 2.2.1 Oxidación química Consiste en la oxidación térmica completa del residuo en fase gas y a temperatura elevada. Es un método útil únicamente cuando se trata de pequeñas cantidades de aguas con una concentración elevada de contaminantes oxidables. En caso contrario, los costes de operación asociados a la necesidad de utilizar un combustible auxiliar, se vuelven excesivos. Aunque los costes de inmovilizado son elevados, la tecnología está bien establecida. Puede ser una buena elección tecnológica cuando se utiliza en combinación con una operación de separación previa que concentre el contaminante, por ejemplo una ultrafiltración. Aún así, en el tratamiento de efluentes líquidos resulta una técnica costosa además de impopular. 2.2.2 Oxidación húmeda no catalítica La oxidación húmeda es un proceso clásico en el cual la materia orgánica, soluble o en suspensión, se oxida con oxígeno disuelto procedente de aire o corrientes gaseosas enriquecidas en oxígeno. La química del proceso transcurre por vía radicalaria, de forma que son los radicales formados a partir del oxígeno, los que reaccionan con la materia orgánica. Por este motivo, la oxidación húmeda, tanto catalítica como no catalítica, se incluye a veces entre los procesos avanzados de oxidación, cuya característica definitoria es la implicación de radicales hidroxilo como agentes oxidantes indirectos. Aquí se ha reservado, sin embargo, la denominación de avanzados para los procesos basados específicamente en la promoción de radicales hidroxilo. Los demás, que pueden incluir hidroxilos entre las especies oxidantes, pero cuyo diseño no está determinado por su generación, se han clasificado como procesos de oxidación directa. Una característica esencial de los procesos de oxidación húmeda no catalítica es la formación de ácidos carboxílicos como productos finales no mineralizables y que esencialmente corresponden a los ácidos fórmico, acético y oxálico. La oxidación húmeda se puede aplicar en corrientes cuyo contenido en materia oxidable oscile entre 500 y 15000 mg/L de demanda química de oxígeno y se vuelve autotérmica para valores de demanda química de oxígeno superiores a 20 g/L. 2.2.3 Oxidación húmeda catalítica En casos en los que sea necesario alcanzar una tasa de mineralización alta, el proceso de oxidación húmeda se puede llevar a cabo en presencia de catalizadores con el fin de acelerar la velocidad de la reacción de degradación de los compuestos orgánicos. La oxidación húmeda catalítica (CWAO) es capaz de mineralizar la práctica totalidad de los contaminantes orgánicos junto con compuestos inorgánicos tales como cianuros y amoníaco y como la oxidación húmeda, puede utilizar aire u oxígeno como agente oxidante. Los catalizadores suelen ser metales u óxidos metálicos soportados, pero también se han estudiado otras sustancias, tanto en sistemas homogéneos como heterogéneos. La oxidación húmeda catalítica permite llevar a cabo la oxidación de compuestos orgánicos en agua a presión moderada (en cualquier caso superior a la presión de vapor del agua y en general en el rango 15-50 bar) y a una temperatura comprendida entre 120°C y 250°C, que es función esencialmente del tipo de catalizador. La Tabla 2 resume algunas de las características más importantes de los procesos de oxidación directa con énfasis especial en sus limitaciones. De nuevo es conveniente indicar, que la diferencia entre procesos de oxidación directa y procesos avanzados de oxidación es bastante arbitraria y que se ha reservado la denominación de “avanzados” para los procesos basados en la generación de radicales hidroxilo en su versión más restrictiva. 2.3 Tecnología de electroquímica Una de las aplicaciones industriales de la tecnología electroquímica es el tratamiento de electrodeposición en aguas residuales para eliminar y/o recuperar metales pesados. La actividad en la línea de investigación de la electrodeposición de metales está principalmente dirigida a: 1. Desarrollo de procesos electroquímicos para el reciclado y la recuperación de metales (Pb, Zn, Ni…). El uso de los procesos electroquímicos permite obtener metales con una gran pureza y supone una alternativa más ecológica a la pirometalurgia clásica, pues evita la emisión de gases, sulfuros y partículas metálicas. 2. Eliminación de metales pesados en aguas residuales. Actualmente, la existencia de metales pesados en aguas residuales constituye uno de los problemas de contaminación más importantes, debido a la elevada toxicidad y a sus propiedades acumulativas. Respecto a su origen, se generan casi exclusivamente en los efluentes industriales (por ejemplo, en procesos metalúrgicos, baños metálicos, tintes, colorantes, baterías…). TABLA 2 Condiciones y limitaciones de los procesos de oxidación directa Tratamiento Rendimientos Condiciones Incineración >99% >800°C Limitaciones: Si el poder calorífico es inferior a 3000kj /kg (>200 g/L DQO) es necesario utilizar un combustible adicional Oxidación húmeda no catalítica Bar 75-90% 150-350°C, 20-200 Limitaciones: DQO inicial 500-15000 mg/L Condiciones muy enérgicas No se alcanza mineralización completa Oxidación húmeda catalítica Bar >75-99% 120-250°C, 5-25 Limitaciones: DQO inicial >10000 mg/L El proceso es muy dependiente del tipo de catalizador. La estabilidad de algunos catalizadores no es satisfactoria. Oxidación húmeda supercrítica Bar >99.9% 400-650°C,>250 Limitaciones: DQO inicial: >50 g/L DQO El medio de reacción es corrosivo. La deposición de sales puede bloquear los quipos. Los descompuestos que contiene el nitrógeno mineralizan con dificultad Fuente: http://www.icp.csic.es/cyted/Monografias/Monografias1998/B2-269.pdf TABLA 3 Procesos avanzados de oxidación. Procesos homogéneos 1) Sin aporte externo de energía: Ozonización con peróxido de hidrógeno ( O2 / OH ) Ozonización con peróxido de hidrógeno ( O3 / H2O2UV ) Peróxido de hidrógeno y catalizador ( H2O2 / Fe2+ ) 2) Con aporte externo de energía: a) Energía procedente de radiación ultravioleta ( UV) ozonización y radiación ultravioleta ( O3 /UV ) Peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta ( H2O2 / UV ) Ozono, peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta ( O3 / H2O2 / UV ) Foto-Fenton ( Fe2+ / H2O2 / UV ) b) Energía procedente de ultrasonidos ( US ) Ozonización y ultrasonidos ( O3 /US ) Peróxido de hidrógeno y ultrasonidos ( H2O2 / US ) c) Electroquímica Oxidación electroquímica Oxidación anódica Electro-Fenton Procesos heterogéneos Ozonización catalítica ( O3 / Cat ) Ozonización fotocatalítica ( O3 / Cat ) Fotocatálisis heterogénea ( H2O2 / Ti O2 / UV ) Fuente: http://www.icp.csic.es/cyted/Monografias/Monografias1998/B2-269.pdf La recuperación del metal se lleva a cabo mediante su deposición en forma metálica sobre el cátodo en un reactor electroquímico. Esto supone la formación de una nueva fase sólida. El tipo de reactor electroquímico se determina en función del valor del metal recuperado y de las leyes medioambientales. En segundo lugar, la elección del diseño está determinada por la posibilidad de reciclar el metal en forma metálica o como una disolución concentrada. La recuperación de metales por electrodeposición normalmente se lleva a cabo a partir de disoluciones concentradas usando un reactor abierto. Esta geometría facilita la extracción y la recuperación masiva del metal. Cuando el principal objetivo es la eliminación de un metal contaminante en un efluente, es común encontrar concentraciones de metales pesados dentro del intervalo 1-1000 ppm. Estas concentraciones tan bajas obligan a imponer bajas densidades de corriente si se usan reactores convencionales. Debido a esta baja concentración de metales en disolución, es importante desarrollar reactores electroquímicos capaces de eliminar los metales en estas condiciones experimentales. En este sentido, principalmente hay dos estrategias: 1. Usar electrodos tridimensionales. Este tipo de electrodos (electrodos porosos, montones de material esférico…) poseen elevadas áreas superficiales. Esto permite alcanzar elevadas densidades de corriente de trabajo y, por lo tanto, aumentar la etapa de conversión. 2. Incrementar las condiciones del transporte de masa mediante la generación de turbulencias. 2.3.1 Aspectos innovadores de la tecnología El uso de procesos electroquímicos permite obtener metales de gran pureza y de una forma mucho más ecológica que con los tratamientos convencionales. Es una tecnología respetuosa con el medioambiente ya que evita la emisión de gases, sulfuros y partículas metálicas. Este tratamiento electroquímico soluciona de modo eficiente uno de los problemas medioambientales más importantes de nuestro tiempo. Es una tecnología segura, efectiva y de bajo coste. 2.3.2 Sectores de aplicación Este método de tratamiento puede ser útil para: Industrias con aguas residuales con elevadas concentraciones de metales pesados. Potenciales clientes pueden ser: la industria textil, industria de procesamiento metálico, industria química, etc. Consultoras del sector medioambiental con actividades en el tratamiento de efluentes a las que les gustaría añadir a sus competencias nuevos métodos de tratamiento. CAPITULO III PROCESOS DE ELIMINACION La toxicidad de los metales pesados presentes en las aguas residuales requiere la utilización de técnicas adecuadas para su eliminación. Como existe una gran variedad de procesos industriales que generan este tipo de contaminación, el control de la presencia de metales pesados en agua es difícil. En la actualidad se buscan métodos de eliminación de los metales pesados en las aguas residuales. La presencia de cationes de metales pesados en el agua crea problemas serios por sus efectos tóxicos sobre animales, plantas y sobre la salud humana. En estudios recientes se ha comprobado que hoy en día tenemos de 400 a 1.000 veces más plomo en los huesos que hace 400 años. Esto tiene graves efectos en el cerebro y en la evolución mental de los niños, especialmente en la formación de la inteligencia. Entre muchos otros síntomas la intoxicación por plomo provoca una perturbación de la formación de la sangre y así leucemias y anemias, insuficiencias renales y enfermedades neurológicas. Entre los metales pesados los más importantes en cuestión de salud son el mercurio, el plomo, el cadmio, el níquel y el zinc. Algunos elementos intermedios como el arsénico y el aluminio, se estudian habitualmente junto a los metales pesados. Debido a esta naturaleza tóxica, algunos metales pesados causan impacto negativo sobre los tratamientos biológicos convencionales, así como sobre los ecosistemas receptores. En la siguiente tabla se muestran los límites de concentración de algunos metales que inhiben el tratamiento biológico: Es por ello que a menudo resulta conveniente medir y controlar las concentraciones de estas substancias. Las cantidades de muchos de estos metales pueden determinarse, instrumentales. a concentraciones muy bajas, empleando métodos TABLA 4 Límites de concentración de algunos metales Sustancia Concentración de inhibición (mg/L) Cadmio (Cd2+) 2-5 Bicromato (CrO42-) 3-10 Cobre (Cu2+) 1-5 Níquel (Ni2+) 2-10 Zinc (Zn2+) 5-20 http://www.scielo.org.mx/scielo.php A continuación se presentaran algunos procesos para retirar metales pesados de las aguas residuales. 3.1 Proceso de Adsorción La adsorción consiste en la migración de algunas sustancias de la fase gaseosa o líquida hacia la superficie de un sustrato sólido. El fenómeno de adsorción se da de forma natural en sistemas físicos, biológicos y químicos. Además, las operaciones de adsorción que emplean sólidos como el carbón activo y las resinas sintéticas son muy utilizadas en aplicaciones industriales y en la purificación de aguas residuales. El proceso de adsorción implica la transferencia de una sustancia de una fase a la acumulación o concentración en la superficie de otra. La superficie donde queda acumulada la sustancia es el adsorbente, y el material concentrado o adsorbido es el adsorbato. El fenómeno de adsorción es distinto del de absorción, proceso en el cual la sustancia transferida de una fase a otra (por ejemplo líquida), interpenetra en la segunda fase para formar una “disolución”. El termino general de “sorción”, engloba ambos procesos. Mediante el proceso de adsorción física las especies pueden adsorberse en varias capas consecutivas de una forma rápida y reversible, dependiendo básicamente del pH de la disolución y de la naturaleza química de la especie adsorbida. La adsorción física está causada principalmente por las fuerzas de Van der Waals y electrostáticas, dándose éstas entre las moléculas del adsorbato y los átomos que componen la superficie del adsorbente. Estos adsorbentes están caracterizados principalmente por las propiedades de la superficie, como su área superficial y polaridad. El ion es adsorbido por el sólido dependiendo de la carga relativa entre ambos. Este proceso puede ser lento o rápido, dependiendo mucho de la composición del adsorbente, del adsorbato y de la temperatura. En la figura siguiente se puede ver esquematizada la adsorción física (Fig. 6). Fig. 6 Adsorción física Fuente:http://www.ua.es/otri/es/areas/ttot/docs/Recuperacion_eliminacion_metales_pesados_ESP.pdf. La adsorción química o quimiadsorción es debida a fuerzas de naturaleza química, como por ejemplo compartición de electrones entre el contaminante y el sólido. Fundamentalmente es un proceso que depende de la temperatura, de la naturaleza química del sólido y de la concentración de la especie. Todos estos tipos diferentes de adsorción no tienen porqué darse de una forma independiente unos de otros. De hecho es sabido que en sistemas naturales se dan diversas formas de adsorción en la misma superficie sólida. El volumen del material adsorbente requerido aumenta con la carga de soluto o adsorbato, de este modo a altas concentraciones de soluto, las dimensiones que adquiriría el equipo de adsorción hace que estos procesos sean irrealizables económicamente. Las aplicaciones de esta tecnología están limitadas a niveles de contaminante en un rango de concentración del orden de partes por millón (ppm). 3.1.1 Parámetros de adsorción La eliminación de sustancias mediante los procesos de adsorción sobre sólidos requiere un conocimiento previo de las condiciones más favorables en las que se produce este fenómeno. Los procesos de adsorción dependen de la naturaleza de la sustancia que se va a recuperar del medio (adsorbato) y de la estructura o de las características del sólido adsorbente. Si se considera que el adsorbato es un metal, el proceso de adsorción depende de las condiciones experimentales como el pH, la concentración de metal y adsorbente, competencia con otros iones y del tamaño de la partícula. Para conocer la posibilidad que un material tiene para ser utilizado como adsorbente, es necesario conocer cuáles son las condiciones óptimas para conseguir la máxima recuperación de metal, por lo tanto es preciso determinar los principales parámetros que afectan al sistema adsorbato adsorbente. Los parámetros más habituales en este tipo de estudio son: 3.1.1.1 Tiempo de equilibrio La adsorción es un proceso en que intervienen diversas etapas: difusión externa, difusión interna, fijación superficial y transferencia de materia en el sistema. Por lo tanto para cada sistema metal-adsorbente se establecen unos equilibrios determinados y la velocidad de adsorción dependerá fundamentalmente de la naturaleza de estas relaciones. En todos los procesos de adsorción es necesario conocer el tiempo que el sistema tarda en alcanzar el equilibrio, es decir el momento a partir del cual, por más que se mantenga el contacto entre el adsorbato y el metal no se producirá más adsorción. 3.1.1.2 Efecto del pH La concentración de iones H+ es uno de los factores más importantes que afectan en la adsorción. Los metales en disolución acuosa se encuentran en forma de diferentes especies químicas en función del pH de la disolución. Este hecho es un indicativo de la fuerte dependencia que existirá entre el pH de la disolución y la posibilidad de recuperación del metal, ya que si varían las características de las especies, sobre todo volumen y carga total, también varían las posibles interacciones entre el metal y la superficie del material adsorbente. Además, cabe considerar que la superficie del material se puede ver afectada al ponerse en contacto con disoluciones ácidas o básicas, provocando reacciones con su superficie que modifiquen la capacidad de establecer interacciones con el metal. Una variación del pH provoca modificaciones en los grupos funcionales que se encuentran en la superficie del material, pudiendo alterar la capacidad de interacción con las especies metálicas. 3.1.1.3 Efecto del medio iónico Otro de los efectos importantes a considerar cuando se quieren eliminar metales de los efluentes industriales, es el medio en el que se encuentra la disolución metálica, ya que la presencia de otras especies orgánicas e inorgánicas en la disolución puede interferir en la recuperación del metal. Por este motivo, es necesario estudiar qué efecto puede provocar la presencia de los residuos de los reactivos más habituales, que pueden encontrarse junto con el metal en las aguas residuales. Entre dichas sustancias se encuentra el NaCl. Los iones Na+ pueden competir con el metal para ocupar los huecos del material adsorbente. A su vez, los iones Cl- pueden formar clorocomplejos, especies neutras o con carga con características físicas y químicas diferentes que hacen variar las condiciones de disponibilidad del metal para ser adsorbido por el adsorbente. 3.1.1.4 Efecto de la concentración inicial del soluto Uno de los parámetros más importantes de los estudios de adsorción es el efecto de la concentración inicial del metal, ya que normalmente un aumento de la cantidad de metal en disolución permite aumentar su recuperación. Este aumento está causado por el equilibrio que se establece entre el metal en disolución y el metal adsorbido por el material adsorbente, equilibrio que depende en cada caso de la cantidad de metal inicial de la disolución. Para conocer la efectividad de un adsorbente es necesario conocer cuál es la cantidad máxima de metal (capacidad máxima) que puede adsorber. Los materiales adsorbentes establecen diferentes equilibrios de recuperación de metal cuando se ponen en contacto con disoluciones de diferente concentración de metal. Estos equilibrios dependen en todos los casos de las condiciones experimentales y son diferentes para cada temperatura. Al representar los resultados de los equilibrios entre la cantidad de metal adsorbido y la cantidad que queda en la disolución, para unas determinadas condiciones, se obtiene la isoterma de equilibrio y su ecuación se puede determinar utilizando distintos modelos. 3.1.2 Ventajas y características Amplia gama de sistemas, adecuados a diferentes capacidades de producción. Requiere mínimo mantenimiento y es de sencilla operación. Mínimos costes de explotación y mantenimiento. No requiere regeneración. Proceso muy respetuoso con el medio ambiente: No requiere la utilización de productos químicos No genera vertidos peligrosos No tiene rechazo 3.2 Proceso Electroquímico Está basado en la utilización de técnicas electroquímicas, haciendo pasar una corriente eléctrica a través del agua (que necesariamente ha de contener un electrolito) y provocando reacciones de oxidación-reducción tanto en el cátodo como en el ánodo. Por tanto se utiliza energía eléctrica como vector de descontaminación ambiental, siendo su coste uno de las principales desventajas de este proceso. Sin embargo como ventajas cabe destacar la versatilidad de los equipos, la ausencia tanto de la utilización de reactivos como de la presencia de fangos y la selectividad, pues controlar el potencial de electrodo permite seleccionar la reacción electroquímica dominante deseada. Las consecuencias de las reacciones que se producen pueden ser indirectas, como en el caso de la electrocoagulación, electroflotación o electrofloculación, donde los productos formados por electrolisis sustituyen a los reactivos químicos, y supone una alternativa con futuro a la clásica adición de reactivos. Sin embargo, la aplicación que está tomando un auge importante es en el tratamiento de aguas residuales industriales, a través de una oxidación ó reducción directa. 3.2.1 Oxidación en ánodo En el ánodo se puede producir la oxidación de los compuestos a eliminar, tanto orgánicos como inorgánicos. Esta oxidación se puede producir directamente por una transferencia de electrones en la superficie del ánodo o bien por la generación de un agente oxidante in-situ. En este último caso se evita manipular agentes oxidantes. Entre las aplicaciones de la oxidación directa cabe destacar el tratamiento de cianuros, colorantes, compuestos orgánicos tóxicos (en algunas ocasiones haciéndolos más biodegradables), incluso la oxidación de Cr (III) a Cr (VI), más tóxico pero que de esta forma puede ser reutilizado. En rango de concentraciones con posibilidades de utilizar este tipo de tratamiento también es muy amplio. 3.2.2 Reducción en cátodo La principal aplicación de esta posibilidad es la reducción de metales tóxicos. Se ha utilizado en situaciones, no poco frecuentes, de reducción de metales catiónicos desde varios miles de ppm’s de concentración hasta valores incluso por debajo de la ppm. Hay una primera etapa de deposición del metal sobre la superficie del cátodo que ha de continuarse con la remoción del mismo. Esto se puede hacer por raspado, disolución en otra fase, etc. El reactor electroquímico utilizado suele ser de tipo filtro-prensa, semejante a las pilas de combustible. Este sistema permite un crecimiento modular del área. Básicamente cada módulo se compone de un elemento catódico de bajo sobre voltaje a hidrógeno (Pt, Au, Acero Inoxidable, Ni,..) y un elemento anódico que utiliza como base óxidos de metales nobles. 3.3 Proceso de Intercambio Iónico Es una operación en la que se utiliza un material, habitualmente denominado resinas de intercambio iónico, que es capaz de retener selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, y los cede frente a una disolución con un fuerte regenerante. La aplicación habitual de estos sistemas, es por ejemplo, la eliminación de sales cuando se encuentran en bajas concentraciones, siendo típica la aplicación para la desmineralización y el ablandamiento de aguas, así como la retención de ciertos productos químicos y la desmineralización de jarabes de azúcar. 3.3.1 Propiedades del proceso de intercambio iónico Las propiedades que rigen el proceso de intercambio iónico y que a la vez determinan sus características principales son las siguientes: Las resinas actúan selectivamente, de forma que pueden preferir un ión sobre otro con valores relativos de afinidad de 15 o más. La reacción de intercambio iónico es reversible, es decir, puede avanzar en los dos sentidos. En la reacción se mantiene la electroneutralidad. Hay sustancia naturales (zeolitas) que tienen capacidad de intercambio, pero en las industrias se utilizan resinas poliméricas de fabricación sintética con muy claras ventajas de uso. Se trata de un mecanismo de interacción electrostática, debido a las fuerzas de atracción de coulomb que tienen lugar cuando un ión de una disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Cuando las concentraciones de metal en los efluentes son bajas, el uso de membranas o la recuperación con disolvente, pierden sus ventajas y no son efectivos. En este caso, se requiere otra tecnología alternativa: el intercambio iónico. La mayoría de los materiales geológicos presentan una carga negativa inherente sobre su superficie por lo que la interacción aparece fundamentalmente con cationes en solución. Normalmente se trata de un proceso rápido y reversible, y depende en gran medida de la fuerza iónica del agua. A fuerza iónica alta existe una gran competencia entre los cationes solubles en solución por los sitios de intercambio sobre la superficie del sólido. La figura siguiente esquematiza como se produciría el intercambio catiónico entre dos especies (Fig.7). Fig. 7 Intercambio Iónico Fuente: http://www.ua.es/otri/es/areas/ttot/docs/Recuperacion_eliminacion_metales_pesados_pdf Las resinas de intercambio iónico conforman una matriz sólida dónde se da la transferencia de masa. Dichas resinas han tenido aplicaciones a escala comercial, para la desmineralización de aguas, teniendo como defecto su falta de selectividad. Se ha experimentado con nuevas resinas de intercambio iónico, con el objetivo de mejorar la selectividad, dichas resinas incorporan materiales como la zeolita, para la eliminación de cationes específicos de metales pesados. La investigación sigue activa también en el campo de corrientes residuales radioactivas, usando alúmina para eliminar determinados aniones de aguas residuales provenientes de la industria. 3.3.2 Ventajas del proceso Entre las ventajas del proceso iónico en el tratamiento de aguas cabe destacar: Son equipos muy versátiles siempre que se trabaje con relativas bajas concentraciones de sales. Actualmente las resinas tienen altas capacidades de tratamiento, resultando compactas y económicas. Las resinas son muy estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración. Existe cierta facilidad de automatización y adaptación a situaciones especificas. 3.4 Proceso de precipitación química. La precipitación química se considera el tratamiento estándar para la eliminación de metales de todo tipo de aguas. La capacidad de eliminación de los metales de la disolución depende principalmente de dos factores: a) La solubilidad de la especie más soluble del metal que puede formarse, la cual es función del producto de solubilidad, del pH del medio y de la concentración de las especies precipitantes. b) La separación del sólido de la disolución acuosa. Estos factores hacen que la precipitación sea poco efectiva cuando el metal se encuentra en concentraciones muy bajas, ya que se necesita un exceso de agente precipitante para llegar a formar un precipitado, y en muchos casos la partícula sólida formad a no tiene estabilidad suficiente para separarse de la disolución. A continuación se puede ver cómo se produciría el mecanismo de precipitación (Fig.8). Fig. 8 Precipitación Fuente:http//www.ua.es/otri/es/areas/ttot/docs/Recuperacion_metales_pesados_pdf Para superar estas dificultades suele utilizarse un tratamiento de coprecipitación. La coprecipitación consiste en añadir hidróxido de hierro o de aluminio juntamente con el agente precipitante, con el fin de que actúen como coagulantes o bien que adsorban los metales que no han precipitado en las voluminosas estructuras que forman los hidróxidos metálicos. La precipitación química es la separación de sustancias por asentamiento gravitacional, mediante el agregado de reactivos químicos que alteran su estado físico o su solubilidad (precipitantes, coagulantes, floculantes, etc.). La precipitación química es un proceso de tres pasos que consiste en: coagulación, floculación y sedimentación. Coagulación: En esta etapa las fuerzas entre las partículas de los contaminantes se reducen o eliminan mediante la adición de productos químicos, lo que permite la interacción de partículas mediante el movimiento molecular y la agitación física. La mezcla rápida permite la dispersión en el agua residual del producto químico utilizado en el tratamiento y promueve el choque de partículas, lo que hace que las partículas se agrupen para formar otras de mayor tamaño, es decir, la coagulación. Los productos químicos añadidos para promover dicha agregación se denominan coagulantes y tienen dos propósitos básicos: El primero es desestabilizar las partículas, lo que permite la interacción, y el segundo es promover la agrupación de partículas reforzando así la floculación. Floculación: Se produce después de un período de mezcla rápida ya que es necesario disminuir la velocidad de la mezcla para que se formen flóculos más grandes. (Si la velocidad de mezcla es alta, los flóculos continúan siendo destruidos por excesivo contacto físico). Sedimentación: Debido al tamaño de las partículas sigue siendo necesario algo de mezcla para que exista contacto entre las masas de sólidos y promover así la formación de flóculos que se sedimentarán rápidamente. Durante la precipitación, los sólidos se separan del líquido normalmente por sedimentación. Lo que debe resultar en dos capas claramente visibles: una sólida y una líquida, que pueden separarse fácilmente. La precipitación química se realiza la mayor parte de las veces utilizando hidróxido de sodio, compuestos de sulfato (alumbre o sulfato férrico) o sulfuros (sulfuro de sodio o sulfuro de hierro). La adición de estos compuestos a aguas residuales portadoras de metales forma hidróxidos de metal o sulfuros de metal respectivamente, y la solubilidad en el agua de éstos es limitada. Esta técnica se utiliza para remover la mayoría de los metales de las aguas residuales, y algunas especies aniónicas como sulfato y fluoruro. Conclusiones El suministro adecuado del agua es un requisito indispensable para el cuidado de la salud, la nutrición y la industrialización apropiados. Las razones por las cuales los avances en la tecnología del tratamiento del agua son tanto financieras como institucionales. Se compararon tecnologías que a pesar de ser sencillas son un método con muchas ventajas pero sobre todo económicas, muchas veces la toxicidad de los metales pesados causan un impacto negativo sobre los tratamientos biológicos convencionales, así como los ecosistemas receptores. Se presentó información sobre la contaminación del agua y métodos de eliminación de metales. Se han descrito ampliamente las tecnologías empleadas como la de membrana, oxidación y de electroquímica considerando una normatividad actualizada. Se concluyo que el agua residual puede mejorar su calidad con un tratamiento convencional presentado en esta investigación y se llego a considerar un proceso de eliminación de los metales en las aguas residuales aquel que nos ofreciera más ventajas y posibilidad de llevarlo a cabo de una forma rápida y sencilla. Al término de este trabajo se compararon algunos procesos para eliminar los metales pesados en las aguas residuales como el proceso electroquímico en el cual una de sus grandes desventajas es su coste ya que requiere de energía eléctrica, otro es intercambio iónico y se considera estándar pues es muy rápido y reversible y el proceso de adsorción es que considera mucho al medio ambiente así como sus ventajas y costos son muy accesibles de tal modo no será posible llevarlos a cabo de una manera rápida pero sobre todo con resultados favorables y que beneficien tanto a la ciudadanía como a empresas industriales. Bibliografía Fair Gordon; M. Geyer; Jhon C.; Okun Daniel A. Ingeniería sanitaria y de aguas residuales. Tomo I: Abastecimiento de agua y remoción de aguas residuales, Limusa, Noriega Editores. Fair Gordon; M. Geyer; Jhon C.; Okun Daniel A. Ingeniería sanitaria y de aguas residuales. Tomo II: Tratamiento del agua y remoción de aguas residuales, Limusa, Noriega Editores. Metcalf-Edoy Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas residuales, Editorial Labor, S.A. R.S.Ramalho Tratamiento de aguas residuales, Editorial Reverte, S.A. Miguel Rigola Lapeña. Tratamiento de aguas industriales: Aguas de proceso y residuales, MARCOMBO, S.A., 1990. Ramón Sans Fonfria, Joan de Pablo Ribas, Ingeniería Ambiental: Contaminación y tratamientos, MARCOMBO, S.A. 1989. J. Glynn Henry y Gary W. Heinke, Ingeniería Ambiental segunda edición Prentice Hall. México 1999. Mariano Seoánez Calvo, Ingeniería del medio ambiente: Depuración de las aguas residuales por tecnologías ecológicas. Editorial Aedos, S.A. Eduardo Glez. 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