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PRÁCTICA N°01
PRUEBAS FÍSICAS DEL AGUA
I) OBJETIVOSDeterminar cuál es la procedencia de una muestra de agua, mediante el análisis del color yolor que emite.
II) MARCO TEÓRICO2.1 Análisis OrganolépticoEs la valoración cualitativa que se realiza a una muestra o cuerpo de agua, generalmenteen campo, basada exclusivamente en la percepción de los sentidos. Aun cuando este tipo de valoración suele ser subestimada por el analista principiante, en la mayoría de los casos, son precisamente los resultados del análisis organoléptico, los que visionan y dirigen los análisis de laboratorio y los que facilitan la posterior interpretación de los resultados
2.2 ColorEl color en el agua puede estar asociado a sustancias en solución o a sustancias en suspensión.Sin embargo, para los propósitos de un análisis organoléptico en campo, interesa más el color in situ de la muestra cruda, en comparación frente a un blanco de agua destilada, (figura 4.2).Algunas sustancias de origen natural, que confieren color al agua, son el material vegetal en descomposición, los limos y arcillas en suspensión y algunos minerales disueltos, de hierro y manganeso, principalmente.
2.3 OlorEl olor en el agua puede utilizarse de manera subjetiva para describir cualitativamente su calidad, estado, procedencia o contenido. Aun cuando esta propiedad pueda tener un amplio espectro de posibilidades, para propósitos de calidad de aguas existen ciertos aromas característicos que tipifican algunas fuentes u orígenes, más o menos bien definidos.
Tabla 1 Tabla 21 Sin olor t Terroso2 Muy débil p Pescado3 Débil h Hierba4 Diverso m Moho5 Dudoso a Añejo6 Muy fuerte c Combustible7 Aromático d Dulce8 Desagradable A Azuloso
9 Otros V VegetalO Otros
III) PARTE EXPERIMENTAL3.1 MaterialesVaso de precipitadoDiferentes muestras de agua
3.2 ProcedimientoSe coloca en un vaso aprox. 30 ml de agua de cada clase.Agitar y oler la muestra.Anotar los resultados según la Tabla 1 y la Tabla 2
ResultadosAgua potable 2,O
Agua residual 8,O
2,P
3,P
IV) CONCLUSIONESEl análisis físico de una muestra de agua permite obtener una idea preliminar de la procedencia de ésta.El agua potable tiene un olor muy débil porque tiene pocos compuestos en soluciónEL agua residual es la de olor más fuerte debido a la alta cantidad de compuestos, tanto inorgánicoscomo orgánicos que presenta.
Agua de mar (0.5 m de la orilla)
Agua de mar (40 m de la orilla)
El olor en el agua puede utilizarse de manera subjetiva para describir cualitativamente su calidad, estado, procedencia o contenido. Aun cuando esta propiedad pueda tener un amplio espectro de posibilidades, para propósitos de calidad de aguas existen ciertos aromas característicos que tipifican algunas fuentes
El análisis físico de una muestra de agua permite obtener una idea preliminar de la procedencia de ésta.
EL agua residual es la de olor más fuerte debido a la alta cantidad de compuestos, tanto inorgánicos
PRACTIVA Nº02
ALCALINIDAD
I) OBJETIVOSDeterminar la alcalinidad total del agua analizada en laboratorio
II) MARCO TEÓRICO
hasta un valor de pH igual a 4,5. La alcalinidad es causada principalmente por los bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos presentes en de solución, y en menor grado por los boratos, fosfatos y silicatos, que puedan estar presentes en la muestra. En un sentido estricto las principales especies causantes de alcalinidad y su asociación con la fuente, es la siguiente: Hidróxidos, OH─(Aguas naturales, residuales e industriales), Bicarbonatos, HCO3─ (Aguas naturales y residuales) Carbonatos CO3= (Aguas Naturales y residuales)
Las aguas subterráneas relativamente antiguas que discurren por estratos arenosos, constituyen una buena excepción, en donde la alcalinidad también se halla relacionada a los silicatos disueltos
La alcalinidad en la mayoría de los cuerpos de aguas naturales tiene su origen en el sistema carbonato, debido a que el bióxido de carbono y los bicarbonatos forman parte del metabolismo de los organismos vivos, aeróbicos o anaeróbicos, donde quiera que haya agua, materia orgánica y unas condiciones mínimas de supervivencia
La alcalinidad en el agua se expresa como la cantidad equivalente de CaCO3, en mg/l. La alcalinidad, entendida como la concentración de metales alcalinotérreos, tiene importancia en la determinación de la calidad del agua.
III) MATERIALES Y REACTIVOSMATERIALESErlenmeyer de 100ml.Bagueta.Bureta.Pipeta
REACTIVOSIndicador de fenolftaleína (P)Solucion de anaranjado de metiloHCl (0,02N)Agua destilada
IV) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1-En un matraz colocar 2g de cal,luego disolverlo en 100mL de agua2-Agregar 3 gotas del indicador fenolftaleina, hasta que se torne de un color rojo grosella.3-Valorar con HCl (0,02N), hasta que se torne incolora.4-Anotar el gasto de HCl
La alcalinidad de una muestra de agua es su capacidad para reaccionar o neutralizar iones hidronio, (H3O+),
5-Aregar 3gotas de anaranjado de metilo6-Valorar con HCl (0,02N), hasta que se torne de un color amrillo-naranja
V) CALCULOS Y RESULTADOS2F-T 2(F-T)
Resultado de Alcalinidad por OH Alcalinidad por carbonatos Alcalinidad por bicarbonatosla Titulacion (ppmCaCO3) (ppmCaCO3) (ppmCaCO3)
F=0F<T/2
F=1/2(T)F>T/2 GI : 690 , GII : 1110 GI : 100 , GII : 280 GI : 0 , GII : 0F=T
ppmCaCO3=(12,5mL*0,02N*50000)/10mL =1250
ppmCaCO3=(13,9mL*0,02N*50000)/10mL =1390
Luego:F=1250 Y T=1390
2F-T=11102(F-T)=280
VI) CONCLUSIONESEl agua potable tiene una alcalinidad por hidroxidos de 1110ppmEl agua potable tiene una alcalinidad por carbonatos de 280ppmEl agua potable no presenta alcalinidad por bicarbonatos
hasta un valor de pH igual a 4,5. La alcalinidad es causada principalmente por los bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos presentes en de solución, y en menor grado por los boratos, fosfatos y silicatos, que puedan estar presentes en la muestra. En un sentido estricto las principales especies causantes de alcalinidad y su asociación con la fuente, es la siguiente: Hidróxidos, OH─(Aguas naturales, residuales e industriales), Bicarbonatos,
Las aguas subterráneas relativamente antiguas que discurren por estratos arenosos, constituyen una buena excepción, en donde la alcalinidad también se halla relacionada a los silicatos disueltos
La alcalinidad en la mayoría de los cuerpos de aguas naturales tiene su origen en el sistema carbonato, debido a que el bióxido de carbono y los bicarbonatos forman parte del metabolismo de los organismos vivos, aeróbicos o anaeróbicos, donde quiera que haya agua, materia orgánica y unas condiciones mínimas de supervivencia
La alcalinidad en el agua se expresa como la cantidad equivalente de CaCO3, en mg/l. La alcalinidad, entendida como la concentración de metales alcalinotérreos, tiene importancia en la determinación de la calidad del agua.
La alcalinidad de una muestra de agua es su capacidad para reaccionar o neutralizar iones hidronio, (H3O+),
Alcalinidad por bicarbonatos (ppmCaCO3)
GI : 0 , GII : 0
PRACTIVA Nº03
DETERMINACION DE LA DUREZA DEL AGUA MEDIANTE TITULACION COMPLEXOMETRICA CON EDTA
I.OBJETIVO:
en concentración equivalente de carbonato de calcio, de una muestra de agua.
II.FUNDAMENTO TEORICO
Históricamente, “la dureza” se definía como la capacidad de los cationes, de una muestra de agua, para reemplazar los iones sodio o potasio de los jabonesy formar productos poco solubles.Esta propiedad indeseable está compartida por la mayoría de los cationes que poseen cargas múltiples; en las aguas naturales, las concentraciones de calcio y magnesio generalmente son superiores a las de cualquier otro ion metálico. La dureza se define como la concentración de carbonato de calcio que es químicamente equivalente a la concentración de cationes multivalentes (principalmente calcio y magnesio) de la muestra.
La determinación de la dureza es útil como una medida analítica de la calidad del agua. La dureza es de particular interés en procesos industriales debido a queel calentamiento del agua dura causa la precipitación del carbonato de calcio, mediante la reacción:
calor
La reacción que se produce entre el calcio (II) y el carbonato ácido causa la costra que se deposita en las tuberías, calderas, calentadores de agua y ollas de té y café. El depósito de carbonato de calcio es mal conductor de calor y estorba la transferencia de éste al agua. Además, obstruye los tubos y agrava los problemas de corrosión. También es un problema en el baño, porque el ion calcio forma un precipitado con el jabón; el jabón forma un anillo en la bañera, en vez de formar espuma, lo cual es un perjuicio para los usuarios domésticos.
Habitualmente, la dureza del agua se determina mediante una valoración con EDTA después de tamponar la muestra a pH = 10.
ü Determinar a partir del método de titulación complexométrico, la dureza,
ü Determinar la dureza total de la muestra de aguaü Determinar la dureza cálcica de la muestra de agua ü Determinar la dureza magnésica de la muestra de agua
Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)
Acido etilendiaminotetraacético (EDTA)
tetraacético, que se abrevia generalmente como EDTA, es el valorante complexométrico más utilizado. El EDTA, cuya fórmula es C10H16N2O8, tiene lafórmula estructural:
los cuatros grupos carboxilo (-COOH) y los dos grupo amino (-NH2), cada uno de estosúltimos con un par de electrones no compartidos. Así, el EDTA es un ligando hexadentado.
Propiedades ácidas del EDTA
K2 = 2,14.10-3, K3 = 6,92.10-7 y K4 = 5,50.10-11. Es interesante resaltar que las dos primeras constantes tienen el mismo orden de magnitud, lo cual hace pensar que los dos protones se disocian de extremos opuestos de la molécula. Como consecuenciade su separación física, la carga negativa que genera la primera disociación no afectaen gran medida la separación del segundo protón. Sin embargo, no se puede decir lo mismo respecto de la disociación de los otros dos protones, mucho más cercanos a losiones carboxilato de carga negativa (-COO-) que se crean con las disociaciones iniciales.
H2Y2-, HY3- y Y4-. La especie H2Y2- predomina en medios moderadamente ácidos (pH 3 a 6).
Reactivos para valoraciones con EDTA
comercialmente con calidad de reactivo. El primero puede servir como patrón primario tras desecarlo durante varias horas a 130 – 145 ºC. Posteriormente, se disuelve en lacantidad mínima de base requerida para la disolución completa.
El ácido etilendiaminotetraacético, llamado también ácido (etilendinitrilo)
La molécula de EDTA tiene seis posibles sitios de enlace con un ion metálico:
Las constantes de disociación de los grupos ácidos del EDTA son K1=1,02.10-2,
Las múltiples especies del EDTA se abrevian habitualmente como H4Y, H3Y-,
El ácido libre H4Y y la sal sódica dihidratada, Na2 H2Y. 2 H2O, están disponibles
0,3% de humedad en exceso sobre la cantidad estequiométrica. Salvo en los trabajosque requieran gran precisión, este exceso es suficientemente reproducible para permitir el uso de un peso corregido de la sal en la preparación directa de una solución patrón. En caso necesario, el dihidrato puro se puede preparar disecando a 80 ºCdurante varios días en una atmósfera con una humedad relativa del 50%.
Complejos del EDTA con iones metálicos
reactivo se combina con los iones metálicos en proporción 1:1 independientementede la carga del catión. Por ejemplo, los complejos de plata y aluminio se formanmediante las reacciones siguientes:
El EDTA es un reactivo notable no sólo porque forma quelatos con todos los cationes, salvo los metales alcalinos, sino también porque muchos de esos quelatostienen la estabilidad suficiente para llevar a cabo valoraciones. Esa considerableestabilidad resulta de los diversos sitios complejantes de la molécula que danlugar a una estructura en forma de jaula, en la que el catión queda rodeado de manera efectiva y aislado de moléculas de solvente. La capacidad del EDTA para formar complejos con metales es la causante de que se emplee ampliamente como conservante en alimentos y en muestras biológicas.
Indicadores para valoraciones con EDTA
Se han investigado alrededor de 200 compuestos orgánicos como indicadores de iones metálicos en valoraciones con EDTA. Por lo general, se trata de colorantesorgánicos que forman quelatos coloreados con iones metálicos en un intervalo de pM (-log [M]) que es característico de cada catión y cada colorante. Es habitual que los complejos tengan un color intenso y sean discernibles a simple vista enconcentraciones molares que van de 10-6 a 10-7M.
El negro de eriocromo T es un indicador característico de iones metálicos que se utiliza en la valoración de diversos cationes comunes. Su comportamiento como ácido débil se describe mediante las ecuaciones:
rojo azul
En condiciones atmosféricas normales, el dihidrato Na2 H2Y. 2 H2O contiene un
Las soluciones de EDTA son especialmente valiosas como valorantes, ya que el
Ag+ + Y4- ↔ Ag Y3-
Al3+ + Y4- ↔ AlY-
H2O + H2In- ↔ HIn2- + H+ K1 = 5.10-7
H2O + HIn2- ↔ In3- + H+ K2 = 2,8.10-12
azul
Observe que los ácidos y sus bases conjugadas tienen colores distintos. Así pues,el negro de eriocromo T se comporta como indicador ácido-base, y también como un indicador del ion metálico.
el caso del H2In-. Por tanto, para la detección de iones metálicos es necesario ajustar el pH a 7 o mayor, de forma que la forma azul de la especie, HIn2-, predomine enausencia de un ión metálico. Hasta el punto de equivalencia en una valoración, elindicador compleja el exceso de ion metálico de forma que la solución es roja. Anteel primer leve exceso de EDTA, la solución se torna azul como consecuencia de la reacción:
rojo azul
El negro de eriocromo T forma complejos rojos con más de dos decenas de iones metálicos, pero sólo unos pocos tienen las constantes de formación apropiadas para la detección del punto final.
El magnesio, que forma con el EDTA los complejos menos estables de todos los cationes multivalentes en muestras de agua típicas, no se valora hasta no haber añadido reactivo suficiente para que se formen los complejos con todos los demáscationes de la muestra. Por lo tanto, un indicador de iones magnesio, como la calmaditao negro de eriocromo T, puede servir como indicador en las valoraciones de la durezadel agua. Es frecuente incorporar una pequeña concentración del quelato magnesio – EDTA al tampón o al valorante, a fin de garantizar que los iones magnesiosean suficientes para el funcionamiento apropiado del indicador.
Una limitación del negro de eriocromo T es que sus soluciones se descomponen lentamente al dejarlas en reposo.
Equipos para determinar la dureza del agua
El equipo mediante el cual se puede determinar la dureza del agua en el hogar consiste, por lo general, en un vaso calibrado para que se le vierta un volumen conocido de agua, un paquete que contiene una cantidad apropiada de una mezcla tampón sólida, una solución indicadora y un frasco de EDTA patrón equipado con un gotero como lo empleados para administrar medicamentos. Se cuentan las gotas del reactivopatrón necesarias para que ocurra el cambio de color.
Ablandadores de agua domésticos
anaranjado
Los complejos metálicos del negro de eriocromo T por lo general son rojos, como
MIn- + HY3- ↔ H2In- + MY2-
Un método para resolver el problema del agua dura en el hogar consiste en intercambiar los cationes de calcio, magnesio y hierro por iones de sodio, queforman sales de ácidos grasos solubles. Un ablandador comercial de agua consiste en un tanque que contiene una resina de intercambio iónico, un depósito de almacenamientopara cloruro de sodio y varias válvulas y reguladores para controlar el flujo del agua.
Durante el ciclo de carga o regeneración, se hace pasar agua salada concentrada procedentedel depòsito a través de la resina de intercambio iónico, donde los sitios de la resina son ocupados por iones Na+.
en este ciclo.
de la resina de intercambio iónico cambian de manera que el agua que provienedel suministro de la casa pasa a través de la resina y sale por las canillas del hogar.Cuando el agua dura pasa a través de la resina, los cationes Mx+ son intercambiadospor iones Na+ y el agua se ablanda:
sólido agua sólido agua
Con el uso la resina de intercambio iónico acumula gradualmente los cationes de agua dura. Por lo tanto, el ablandador debe recargarse periódicamente haciendopasar agua salada a través de él y enviando los iones del agua dura hacia el desagüe.Después del ablandamiento, los jabones son mucho más efectivos porque se mantienendispersos en el agua y no forman cuajadas de jabón. El cloruro de potasio se usa tambiénen lugar del cloruro de sodio y es particularmente conveniente para las personas cuya dieta les prohíbe ingerir sodio. Sin embrago, el cloruro de potasio empleado en ablandadores de agua es más costoso que el cloruro de sodio.
NETel negro de ericromo T es el indicador que se utiliza en las dos valoraciones a realizar el el practica .se trata de un indicador metalocromico ,compuesto cuyocolor cambia cuando se une a un ion metalico menos fuertemente que el EDTA .enotras palabras ,el indicador debe ceder el metal al EDTA en disolución
MNET + EDTA → MEDTA + NET (M = metal) Rojo vinoso incoloro incoloro azul
III.PARTE EXPERIMENTAL
3.1. Estandarización de una disolución de EDTA 0.01N (aproximada)
Los cationes Mx+ (calcio, magnesio o hierro) liberados son arrastrados al desagüe
Después del ciclo de regeneración, las válvulas que controlan la entrada y la salida
xRSO3- Na+ + Mx+ ↔ (RSO3
-)x Mx+ + x Na+ (uso doméstico)
sulfato de magnesio heptahidratado (patrón primario )recuerde lo siguiente
y el EDTA es 1:1
masa experimental hallada
de MgSO4.7H2O patrón primario y verterla en un matraz erlenmeyer de 125ml
NH4Cl – NH4OH (PH = 10) y una punta de espátula de NET
y agitando regularmente el erlenmeyer .la llave del mor debe tomarse con la manoinhábil y el erlenmeyer con la habil .en la cercanía del punto final .agregar menosde una gota por vez
confianza del 95%
3.2. DETERMINACION DE LA DUREZA DEL AGUA
NH4Cl – NH4OH (PH = 10) y una punta de espátula de NET
la parte anterior desde el punto 5 hasta el punto 8
por litro de agua (g de CaCO3 L-1 ) .la masa de CaCO3 es 100.09g/mol
· Realizar los cálculos necesarios para preparar 100ml de una disolución de
ü La estequiometria de la reacción entre un metal (en este caso Mg+2)
ü Se conoce la concentración aproximada del EDTA ü Como en laboratorio 2 se supone un gasto arbitrario del EDTA de 8ml
ü La masa molar del MgSO4.7H2O es 246.36g/mol
ü La toma del MgSO4.7H2O es de 5ml
· Expresar la normalidad del MgSO4.7H2O con su error asociado ,partir de la
· Hacer una toma de pipeta aforada de 5ml de la disolución preparada
· Agregar 5ml con pipeta graduada de la disolución amortiguada
· llenar la bureta con disolución de EDTA y enrasar a 0 · agregar desde la bureta la disolución de EDTA ,en proporciones pequeñas
· repetir este procedimiento 5 veces · aplicar el test Q para verificar la concordancia de las cinco gotas obtenidas · calcular los cinco valores de normalidad de la EDTA · calcular el intervalo de confianza de µ de la misma con un nivel de
· verter 25 ml de agua con pipeta aforada en un erlenmeyer limpio de 125ml · agregar 5ml con pipeta graduada de la disolución amortiguada
· continuar el procedimiento de valoración de acuerdo al protocolo de
· expresar la dureza del agua en función de la masa en gramos de CaCO3
confianza del 95%
CÁLCULOS DEL EXPERIMENTO
4mg → 25ml X → 1000ml
V.BIBLIOGRAFIA:
· calcular los cinco valores de dureza del agua · calcular el intervalo de confianza de µ de la misma con un nivel de
X = 160ppm
· Harris, “análisis químico cuantitativo “ ,capitulo 13 editorial Iberoamérica· Skoog “química analítica “ , capitulo 14 ,sexta edición
PRACTIVA Nº04
DETERMINACIÓN DE CLORUROS
humano, como para la industria.
DETERMINACION DE CLORUROS
El ión cloruro (Cl -), es uno de los aniones inorgánicos principales en el agua natural y residual.Los contenidos de cloruros de las aguas son variables y se deben principalmente a la naturaleza de los terrenos atravesados. Habitualmente, el contenido de ión de cloruro de las aguas naturales es inferior a 50 mg/L.El sabor salado del agua, producido por los cloruros, es variable y dependiente de la composición química del agua, cuando el cloruro está en forma de cloruro de sodio, el sabor salado es detectable a una concentración de 250 ppm de NaCl.Cuando el cloruro está presente como una sal de calcio o magnesio, el típico sabor salado de los cloruros puede estar ausente aún a concentraciones de 1000 ppm.El cloruro es esencial en la dieta y pasa a través del sistema digestivo, inalterado.
Un alto contenido de cloruros en el agua para uso industrial, puede causar corrosión en las tuberías metálicas y en las estructuras. La máxima concentración permisible de cloruros en el agua potable es de 250 ppm, este valor se estableció más por razones de sabor, que por razones sanitarias.
Para analizar los cloruros, la muestra, a un pH neutro o ligeramente alcalino, se titula con nitrato de plata (AgNO3), usando como indicador cromato de potasio (K2CrO4).El cloruro de plata AgCl, precipita cuantitativamente primero, al terminarse los cloruros, el AgNO3 reacciona con el K2CrO4 formando un precipitado rojo ladrillo de Ag2CrO4.
Cl - + AgNO3 ------------------------------------> AgCl + NO3-2 AgNO3 + K2CrO4 ----------------------------> Ag2CrO4 + 2KNO3 (rojo-ladrillo)
El pH óptimo para llevar a cabo el análisis de cloruros es de 7 a 8.3, ya que cuando tenemos valores de pH mayores a 8.3 el ión Ag+ precipita en forma de Ag(OH); cuando la muestra tiene un pH menor que 7, el cromato de potasio se oxida a dicromato, afectando el viraje del indicador.
Las interferencias más comunes son el: el color y el pH.* El color debe ser eliminado por medio de un tratamiento de la muestra con carbón activado.* El pH e ajusta en el intervalo de 7 a 8.3. Si existen bromuros y yoduros, estos son titulados junto con los cloruros ocasionando resultados falsos.
Las aguas naturales tienen contenidos muy variables en cloruros dependiendo de las características de los terrenos que atraviesen pero, en cualquier caso, esta cantidad siempre
I. OBJETIVOSü Conocer la cantidad de cloruros presentes en una muestra de agua.ü Conocer las cantidades permisibles de cloruros en el agua para el consumo
II. MARCO TEORICO
es menor que las que se encuentran en las aguas residuales, ya que el NaCl es común en la dieta y pasa inalterado a través del aparato digestivo.
El aumento en cloruros de un agua puede tener orígenes diversos. Si se trata de una zona costera puede deberse a infiltraciones de agua del mar. En el caso de una zona árida el aumento de cloruros en un agua se debe al lavado de los suelos producido por fuertes lluvias. En último caso, el aumento de cloruros puede deberse a la contaminación del agua por aguas residuales.
Los contenidos en cloruros de las aguas naturales no suelen sobrepasar los 50-60 mg/l. El contenido en cloruros no suele plantear problemas de potabilidad a las aguas de consumo. Un contenido elevado de cloruros puede dañar las conducciones y estructuras metálicas y perjudicar el crecimiento vegetal.
La reglamentación técnico-sanitaria española establece como valor orientador de calidad 250 mg/l de Cl y, como límite máximo tolerable, 350 mg/l de Cl, ya que no representan en un agua de consumo humano más inconvenientes que el gusto desagradable del agua.
III. REACTIVOS:· EDTA (1gota= 50 ppm)· Buffer· Indicador· Indicador
· K2CrO4
· AgNO3
IV. MATERIALES :· Tubos de ensayo· Vasos de precipitado de 50 ml· Probeta de 100 ml· Piceta· Ablandador
V. PARTE EXPERIMENTAL
a) Medir 5 ml de la muestra de agua en un matraz de 250 ml.
2 gotas de fenolftaleína (0.25%), tiene que producirse un color rosa.
VOLUMENES OBTENIDOS DE NITRATO DE PLATA
b) Ajustar el pH entre 7 a 8.3, se añaden:
2 gotas de Na2CO3 0.1 N.
Se añaden las gotas de H2SO4 0.1N necesarios hasta que vire a incoloro.
c) Añadir 3 gotas de indicador, cromato de potasio al 5%
d) Titular con AgNO3 0.01 N hasta que vire de amarillo lechoso a rojo ladrillo.
Tipo de agua
Grupo 1 2 3Agua de caño 0.8 0.38 0.8Agua de mar 10.3 0.14 6
Usando la formula:
HALLANDO LA CANTIDAD DE CLORURO PRESENTE EN LAS MUESTRAS
Tipo de agua ppm de ClGrupo 1 2 3
Agua de caño 5ml 56.8 26.98 56.8Agua de mar 0.1ml 36565 497 21300
en el agua de caño.
ligeramente alcalino entre 7 y 8.3
permisible. (250ppm)
(dicromato de potasio)
Volumen de AgNO3 (ml)
VI. CONCLUSIONES
ü Encontramos que en el agua de mar hay definitivamente muchos más cloruros que
ü Para poder determinar los cloruros presentes en el agua es necesario tener un pH
ü La cantidad de cloruros de la muestra de agua potable es menor que la máxima
ü El viraje es observable considerando una pequeñísima concentración de indicador
𝑝𝑝𝑚 𝑑𝑒 〖𝐶𝑙〗 ^−= (𝑁_𝐴𝑔𝑁𝑂3 𝑥𝑉_𝐴𝑔𝑁𝑂3 𝑥((𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑙)/𝜃)𝑥〖 10〗 ^3)/𝑉𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
El ión cloruro (Cl -), es uno de los aniones inorgánicos principales en el agua natural y residual.
Habitualmente, el contenido de ión de cloruro de las aguas naturales es inferior a 50 mg/L.
Cuando el cloruro está presente como una sal de calcio o magnesio, el típico sabor salado
Un alto contenido de cloruros en el agua para uso industrial, puede causar corrosión en las tuberías metálicas y en las estructuras. La máxima concentración permisible de cloruros en el agua potable es de 250 ppm, este valor se estableció más por razones de sabor, que por
Para analizar los cloruros, la muestra, a un pH neutro o ligeramente alcalino, se titula con
El cloruro de plata AgCl, precipita cuantitativamente primero, al terminarse los cloruros,
El pH óptimo para llevar a cabo el análisis de cloruros es de 7 a 8.3, ya que cuando tenemos valores de pH mayores a 8.3 el ión Ag+ precipita en forma de Ag(OH); cuando la muestra tiene un pH menor que 7, el cromato de potasio se oxida a dicromato, afectando el viraje
* El color debe ser eliminado por medio de un tratamiento de la muestra con carbón activado.* El pH e ajusta en el intervalo de 7 a 8.3. Si existen bromuros y yoduros, estos son titulados
características de los terrenos que atraviesen pero, en cualquier caso, esta cantidad siempre
es menor que las que se encuentran en las aguas residuales, ya que el NaCl es común en la
El aumento en cloruros de un agua puede tener orígenes diversos. Si se trata de una zona
lluvias. En último caso, el aumento de cloruros puede deberse a la contaminación del agua
Los contenidos en cloruros de las aguas naturales no suelen sobrepasar los 50-60 mg/l. El contenido en cloruros no suele plantear problemas de potabilidad a las aguas de consumo. Un contenido elevado de cloruros puede dañar las conducciones y estructuras metálicas y
La reglamentación técnico-sanitaria española establece como valor orientador de calidad 250 mg/l de Cl y, como límite máximo tolerable, 350 mg/l de Cl, ya que no representan en
PRACTICA Nº 5
DEMANDA DE CLORO - CLORO RESIDUAL Y HIPOCLORITOS EN EL AGUA
I. OBJETIVOS
cloro combinado disponible y compuestos organicos clorados.
II. FUNDAMENTO TEORICO
CLORO RESIDUALNo existen muchas especificaciones que podamos hacer con respecto al cloro residual; como acabamosde mencionar, éste es el cloro que permanece en los estanques luego de que la mayor parte de la dosis aplicada se ha disuelto.La desventaja de éste radica en que reacciona con la materia orgánica del agua creando una serie de compuestos derivados del cloro, los mismos resultan molestos y malolientes, entre ellos encontramos los trihalometanos, de carácter cancerígeno para la salud de las personas.El cloro residual da origen a otros subproductos perjudiciales como son los compuestos orgánicos volátiles,ácidos cloroacéticos, cloritos y cloruro de cianógeno.El cloro residual actúa por fases, en la primera se combina con la materia orgánica con un nivel residual de cero,luego, el nivel aumenta pero esto sucede cuando se combina en forma de cloroaminas (productoscausantes del olor desagradable conocido como “olor a piscina”). Muchas personas para eliminar esteolor introducen más cloro, lo que ocurre aquí es que el cloro residual disminuye hasta alcanzar unmínimo denominado “punto de ruptura”.A partir de allí, todo ese cloro agregado se concentra principalmente en aumentar los niveles de clororesidual, el cual se ha convertido en cloro libre y tiene un mayor poder desinfectante. Si añadimosotro agente oxidante como el ozono antes del punto de ruptura, se elimina los subproductos de cloro debido a que el ozono no los forma, éste lo que hace es oxidar la materia orgánica contendida por el agua.
QUIMICA DE LA CLORACIONEl cloro han sido usado principalmente como desinfectante para el control de microorganismos en aguas de consumo, aguas residuales, piscinas, lodos, etc., así como oxidante para la oxidación de hierro y manganeso; para control de olores y sabores, oxidación de sulfuros, remoción de amoniaco y color orgánico y oxidación de cianuros.
En purificación y tratamiento de aguas el cloro se usa como gas generado a partir de la vaporizaciónde cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmente hipoclorito de sodio,
ü Dar a conocer las diferentes tecnicas de determinacion de cloro disponible,
ü Que el alumno aprenda evaluar el significado sanitario de residuales de cloro.ü Que el alumno aprenda a determinar los parametros para realizar la cloracion al punto de quiebre.
NaOCl, y como sólido, comúnmente hipoclorito de alto grado, HTH o hipoclorito de calcio Ca(OCI)2.Tanto el cloro elemental gaseoso como el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma:
Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl-
Para concentraciones de cloro menores de 1000mg/L, caso general en la práctica, la hidrólisis es prácticamente completa si el pH es mayor de 3. Como puede observarse en la ecuación anterior, la adición de cloro gaseoso al agua bajará su alcalinidad y consecuentemente su pH debido a la producción del ácido fuerte, HCl, y del ácido hipocloroso, HOCl.El ácido hipocloroso se ioniza para formar ion hipoclorito:
QUIMICA DE LA CLORACIONEl cloro han sido usado principalmente como desinfectante para el control de microorganismos en aguas de consumo, aguas residuales, piscinas, lodos, etc., así como oxidante para la oxidación de hierro y manganeso; para control de olores y sabores, oxidación de sulfuros, remoción de amoniaco y color orgánico y oxidación de cianuros.En purificación y tratamiento de aguas el cloro se usa como gas generado a partir de la vaporización de cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmente hipoclorito de sodio, NaOCl, y como sólido, comúnmente hipoclorito de alto grado, HTH o hipoclorito de calcio Ca(OCI)2.Tanto el cloro elemental gaseoso como el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma:
Para concentraciones de cloro menores de 1000mg/L, caso general en la práctica, la hidrólisis es prácticamente completa si el pH es mayor de 3. Como puede observarse en la ecuación anterior, la adición de cloro gaseoso al agua bajará su alcalinidad y consecuentemente su pH debido a la producción del ácido fuerte, HCl, y del ácido hipocloroso, HOCl.El ácido hipocloroso se ioniza para formar ion hipoclorito:
Como es evidente, la disociación del ácido hipocloroso depende de la concentración de ion hidrógeno, o sea del pH. A pH de 6 o menor la disociación del HOCl se inhibe; el residual es predominante HOCl; a pH igual a 7.7 los residuales de HOCl y OCl- son aproximadamente similares y a pH igual o mayor que 9.0 casi todo el residual es OCi-.Las especies HOCl y OCl- en el agua constituyen lo que se denomina cloro libre disponible o residual de cloro libre. El ácido hipocloroso HOCL es el desinfectante más efectivo; el ion: hipoclorito es relativamente inefectivo en comparación con el ácido hipocloroso, por ello, la desinfección más letal con cloro ocurre a pH bajo, o sea en medio ácido. En general, se considera que el HOCl es 80 a 100 veces más efectivo que el OCl- para exterminar E.coli.
Si el cloro se dosifica como hipoclorito de sodio se tiene:
En este caso se presentará un incremento de alcalinidad, dependiente de lamagnitud con que el OCI- reaccione con el agua. Finalmente, si el cloro seagrega como hipoclorito de calcio, HTH se tiene:
El efecto será, entonces, un aumento, tanto de la alcalinidad como de la durezatotal del agua. Si existe amoniaco, el ácido hipocloroso reaccionará con él paraproducir monocloramina, dicloramina y tricloramina.
III. MATERIALES Y REACTIVOS
MATERIALES REACTIVOS
IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Colectar aprox. 2L de muestra Prepara una solucon de hipoclorito de Sodio a partir de la solucion clorox.Adicionar las siguientes alicuotas de la solcuion A a los siguientes erlenmeyers1 ml. 3 ml, 4 ml, 5 ml.Completar a 100 ml cada erlenmeyer con la muestar de agua a analizarDejar en reposo por 30 min. En la oscuridad. Luego adicionar 0.5 g. de KI y 2.5 ml e Ac. Acetico glacialy titular el yodo oxidado por el cloro residual con tiosulfato de sodio 0.025N en presncia dela solucion de almidon, hasta la desaparicion del color azul.El cloro residual se calculara de la sigueinte manera:
* Matraz * Ac. Acético glacial* Bureta * KI* Soporte universal * Solución de almidón
* Tiosulfato de sodio 0.1N
CALCULOS Y RESULTADOS
Vgastado 1.2 ml
Vgastado 0.25ml
Cl añadido Cl residual3 4.794 29.5
VI. CONCLUSIONES
El cloro no solo actua como desinfectante, sino que también reacciona con otros elementos presentes en el agua, como amoniaco, hierro, manganeso y otras sustancias productoras de olores y sabores, mejorando la calidad del agua.
La presencia mínima de cloro en el agua garantiza sus óptimas condiciones para el consumo.
El cloro residual, tanto libre como combinado, se puede presentar de varias formas dependiendo
〖𝐶𝑙〗 _(𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙(𝑝𝑝𝑚))= (𝑚𝑙 〖𝑁𝑎〗 _2 𝑆_2 𝑂_3∗0.8864∗1000)/(𝑉𝑜𝑙. 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎(𝑚𝑙))
〖𝐶𝑙〗 _𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 (𝑝𝑝𝑚)= (1.2∗0.8864∗1000)/40=29.5 𝑝𝑝𝑚
〖𝐶𝑙〗 _(𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙(𝑝𝑝𝑚))= (0.25∗0.8864∗1000)/40=4.79 𝑝𝑝𝑚
2 2.5 3 3.5 4 4.5 53
8
13
18
23
28
33
4.79
29.5f(x) = 24.71 x − 69.34
Cl residual
Cl residualLinear (Cl residual)
Cloro añadido
Clor
o re
sidua
l
de las características químicas del agua.
El agua potable contiene mayor cantidad de cloro residual a diferencia de otras aguas.
No existen muchas especificaciones que podamos hacer con respecto al cloro residual; como acabamosde mencionar, éste es el cloro que permanece en los estanques luego de que la mayor parte de la dosis
La desventaja de éste radica en que reacciona con la materia orgánica del agua creando una serie de compuestos derivados del cloro, los mismos resultan molestos y malolientes, entre ellos encontramos
El cloro residual da origen a otros subproductos perjudiciales como son los compuestos orgánicos volátiles,
El cloro residual actúa por fases, en la primera se combina con la materia orgánica con un nivel residual de cero,luego, el nivel aumenta pero esto sucede cuando se combina en forma de cloroaminas (productoscausantes del olor desagradable conocido como “olor a piscina”). Muchas personas para eliminar esteolor introducen más cloro, lo que ocurre aquí es que el cloro residual disminuye hasta alcanzar un
A partir de allí, todo ese cloro agregado se concentra principalmente en aumentar los niveles de clororesidual, el cual se ha convertido en cloro libre y tiene un mayor poder desinfectante. Si añadimosotro agente oxidante como el ozono antes del punto de ruptura, se elimina los subproductos de cloro debido a que el ozono no los forma, éste lo que hace es oxidar la materia orgánica contendida por el agua.
El cloro han sido usado principalmente como desinfectante para el control de microorganismos en aguas de consumo, aguas residuales, piscinas, lodos, etc., así como oxidante para la oxidación de hierro y manganeso; para control de olores y sabores, oxidación de sulfuros, remoción de
En purificación y tratamiento de aguas el cloro se usa como gas generado a partir de la vaporizaciónde cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmente hipoclorito de sodio,
Que el alumno aprenda a determinar los parametros para realizar la cloracion al punto de quiebre.
NaOCl, y como sólido, comúnmente hipoclorito de alto grado, HTH o hipoclorito de calcio Ca(OCI)2.Tanto el cloro elemental gaseoso como el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma:
Para concentraciones de cloro menores de 1000mg/L, caso general en la práctica, la hidrólisis es prácticamente completa si el pH es mayor de 3. Como puede observarse en la ecuación anterior, la adición de cloro gaseoso al agua bajará su alcalinidad y consecuentemente su pH debido a la producción
El cloro han sido usado principalmente como desinfectante para el control de microorganismos
vaporización de cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmente
Tanto el cloro elemental gaseoso como el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma:
Para concentraciones de cloro menores de 1000mg/L, caso general en la práctica, la hidrólisis
anterior, la adición de cloro gaseoso al agua bajará su alcalinidad y consecuentemente su pH
hipoclorito es relativamente inefectivo en comparación con el ácido hipocloroso, por ello, la desinfección más letal con cloro ocurre a pH bajo, o sea en medio ácido. En general, se considera
Dejar en reposo por 30 min. En la oscuridad. Luego adicionar 0.5 g. de KI y 2.5 ml e Ac. Acetico glacial
El cloro no solo actua como desinfectante, sino que también reacciona con otros elementos presentes en el agua, como amoniaco, hierro, manganeso y otras sustancias productoras de
La presencia mínima de cloro en el agua garantiza sus óptimas condiciones para el consumo.
El cloro residual, tanto libre como combinado, se puede presentar de varias formas dependiendo
2 2.5 3 3.5 4 4.5 53
8
13
18
23
28
33
4.79
29.5f(x) = 24.71 x − 69.34
Cl residual
Cl residualLinear (Cl residual)
Cloro añadido
Clor
o re
sidua
l
LABORATORIO DE AGUAS: COAGULACION-FLOCULACION
INTRODUCCIÓN
I. MARCO TEORICO
Los tratamientos fisico-químicos cubren una serie de objetivos, de los cuales cabría destacar los siguientes:
A) Aguas residuales:
*Eliminación de fósforo.*Espesamiento de lodos.
B) Aguas potables:*Eliminación de color, olor, turbidez, etc., de aguas de ríos y embalses.
La coagulación/floculación es un proceso químico unitario empleado en el tratamiento de aguas que persigue alterar el estado de los sólidos filtrables y en suspensión para facilitar su separación mediante sedimentación. Una suspensión coloidal es un conjunto de partículas de pequeña dimensión (del orden de mili- y decena de micras) que soportan cargas eléctricas del mismo signo repartidas en su superficie. Estas partículas en suspensión forman parte de las impurezas del agua causantes de turbidez y color (por ejemplo arenas, arcillas, cienos, partículas orgánicas...) y se caracterizan por su gran estabilidad ya que las repulsiones electrostáticas entre los coloides impiden su agregación en partículas mayores sedimentables. La coagulación en una operación consistente en neutralizar las cargas eléctricas de una suspensión coloidal. De esta forma dejan de actuar las fuerzas de repulsión y las partículas coloidales comienzan a agregarse. Los productos químicos que suelen utilizarse para favorecer la coagulación de las partículas coloidales suelen ser sales de hierro y aluminio ([(Al2(SO4)3)], [(Fe2(SO4)3)], [FeCl3]) La floculación es una operación basada en la agregación de las partículas coloidales previamente desestabilizadas en la etapa de coagulación, formando partículas de mayor tamaño (flóculos) que permitan su sedimentación menstabgb.com. La formación de estos flóculos se favorece con la adición de polielectrolitos que se caracterizan por moléculas orgánicas poliméricas que son ionizables. Estos compuestos forman puentes entre las partículas, dando lugar a fenómeno de floculación con partículas de mayor tamaño que resultan sedimentables.
*Reducción de sólidos en suspensión y materia orgánica (DQO y DBO) como alternativa al tratamiento biológico. *Laminado o estabilización de cargas contaminantes para controlar la entrada a los tratamientos biológicos. *Reducción de contaminantes industriales no biodegradables (sobre todo metales pesados).
*Eliminación de dureza para aguas potables o aguas de calderas.
Operaciones de coagulación y floculación
Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo, ó sólidos dispersados que no sedimentan con facilidad. Una parte considerable de estos sólidos que no sedimentan pueden ser coloides. En los coloides, cada partícula se encuentra estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su superficie, haciendo que se repelan dos partículas vecinas como se repelen dos polos magnéticos. Puesto que esto impide el choque de las partículas y que formen así masas mayores, llamadas flóculos, las partículas no sedimentan. Las operaciones de coagulación y floculación desestabilizan los coloides y consiguen su sedimentación. Esto se logra por lo general con la adición de agentes químicos y aplicando energía de mezclado.
Los términos Coagulación y Floculación se utilizan ambos indistintamente en colación con la formación de agregados. Sin embargo, conviene señalar las diferencias conceptuales entre estas dos operaciones. La confusión proviene del hecho de que frecuentemente ambas operaciones se producen de manera simultánea. Para aclarar ideas definiremos Coagulación como la desestabilización de la suspensión coloidal, mientras que la Floculación se limita a los fenómenos de transporte de las partículas coaguladas para provocar colisiones entre ellas promoviendo su aglomeración. Por tanto:
Coagulación: Desestabilización de un coloide producida por la eliminación de las dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, con la formación de núcleos microscópicos.
Floculación: Aglomeración de partículas desestabilizadas primero en microflóculos, y más tarde en aglomerados voluminosos llamados flóculos.
En la Figura 1 se muestra como los coagulantes cancelan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide permitiendo la aglomeración y la formación de flóculos. Estos flóculos inicialmente son pequeños, pero se juntan y forman aglomerados mayores capaces de sedimentar. Para favorecer la formación de aglomerados de mayor tamaño se adicionan un grupo de productos denominados floculantes. Cuando se aproximan dos partículas semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión, cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que los separa y cae rápidamente con el incremento de iones de carga opuesta al de las partículas. Esto se consigue sólo con los iones del coagulante (Figura 2). Existe por otro lado, un potencial de atracción Ea entre las partículas llamadas fuerzas de Van der Waals, que dependen de los átomos que constituyen las partículas y de la densidad de estos últimos. Si la distancia que separa a las partículas es superior a “L” las partículas no se atraen. E es la energía que las mantiene separadas.
La precipitación del coloide implica por tanto dos etapas:
1) Desestabilización. Las teorías sobre el mecanismo de este fenómeno se basan en la química coloidal y de superficies.
Coloides
2) Transporte de núcleos microscópicos para formar agregados densos. La teoría del transporte está basada en la mecánica de fluidos.
Las especies coloidales halladas en aguas superficiales y resjduaJes incluyen arcillas, sílice, hierro, metales pesados, color ó sólidos orgánicos como por ejemplo residuos de animales muertos.
Se han postulado diversas teorías para describir el fenómeno de las repulsiones entre partículas coloidales. Prácticamente, todo lo que se necesita para definir el sistema es la determinación de la naturaleza y la magnitud de la carga de la partícula. La magnitud de la carga, ilustrada por la capa que en la Figura 1 rodea al coloide, determina lo cerca que pueden aproximarse las partículas.
La coagulación se puede presentar a un potencial pequeño sin necesidad de neutralizarlo por completo. Si se añade demasiado coagulante las partículas se cargan ahora con el signo contrario y pueden volver a dispersarse.
Mezclado del coagulante
Crecimiento de los flóculos
II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
a. Agua y reactivos que se usaran para la experiencia:
b. Introducimos el agua residual en el reactor:
La coagulación se puede presentar a un potencial pequeño sin necesidad de neutralizarlo por completo. Si se añade demasiado coagulante las partículas se cargan ahora con el signo contrario y pueden volver a dispersarse.
Para complementar la adición del coagulante se requiere del mezclado para destruir la estabilidad del sistema coloidal. Para que las partículas se aglomeren deben chocar, y el mezclado promueve la colisión. El movimiento browniano, movimiento caótico comunicado a las partículas pequeñas al ser bombardeadas por moléculas individuales de agua, está siempre presente como una fuerza homogeneizadora natural. Sin embargo, casi siempre es necesaria energía adicional de mezclado. Un mezclado de gran intensidad que distribuya al coagulante y promueva colisiones rápidas es lo más efectivo. También son importantes en la coagulación la frecuencia y el número de colisiones entre las partículas. Así, en aguas de baja turbidez, puede requerirse la adición de sólidos para aumentar dichas colisiones.
Una vez que se ha añadido el coagulante y se ha realizado la operación de coagulación se pasa a la formación de flóculos mayores. Puede ocurrir que el flóculo formado por la aglomeración de varios coloides no sea lo suficientemente grande como para asentarse con la rapidez deseada. Por ello es conveniente utilizar productos coadyuvantes de la floculación ó simplemente denominados Floculantes. Un floculante reúne partículas en una red, formando puentes de una superficie a otra y enlazando las partículas individuales en aglomerados. La floculación es estimulada por un mezclado lento que junta poco a poco los flóculos. Un mezclado demasiado intenso los rompe y rara vez se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos. Una buena floculación favorece el manejo del lodo final para su desecación, filtrado, etc.
c. Cuadramos el pH primero
1.- pH= 8.56 (pH original del agua)2.- pH=10.873.- pH=3.43
e. Comenzamos a observar
d.- Agregamos 1g de Al2(SO4)3 a los 3 recipientes
f. Al paso de unos minutos se observa como rapidamente va sedimentanto los flocs
g.- Al cabo de t=5min
OBSERVACIONES:
Primero tenemos que neutralizar al floc para que este sedimente Al2(SO4)3 se utiliza para clarificar el agua
Esta agua puede servir para regadios mas no para consumo humano, ya que el procedimiento seria otro.
Como podemos observar el primer reactor con pH= 8.56 sedimento mas rapido debido a que el Al2(SO4)3 trabaja mejor dentro de pH de 8 a 9
LABORATORIO DE AGUAS: COAGULACION-FLOCULACION
La coagulación/floculación es un proceso químico unitario empleado en el tratamiento de aguas que persigue alterar el estado de los sólidos filtrables y en suspensión para facilitar su separación mediante sedimentación. Una suspensión coloidal es un conjunto de partículas de pequeña dimensión (del orden de mili- y decena de micras) que soportan cargas eléctricas del mismo signo repartidas en su superficie. Estas partículas en suspensión forman parte de las impurezas del agua causantes de turbidez y color (por ejemplo arenas, arcillas, cienos, partículas orgánicas...) y se caracterizan por su gran estabilidad ya que las repulsiones electrostáticas entre los coloides impiden su agregación en partículas mayores sedimentables. La coagulación en una operación consistente en neutralizar las cargas eléctricas de una suspensión coloidal. De esta forma dejan de actuar las fuerzas de repulsión y las partículas coloidales comienzan a agregarse. Los productos químicos que suelen utilizarse para favorecer la coagulación de las partículas coloidales suelen ser sales de hierro y aluminio ([(Al2(SO4)3)], [(Fe2(SO4)3)], [FeCl3]) La floculación es una operación basada en la agregación de las partículas coloidales previamente desestabilizadas en la etapa de coagulación, formando partículas de mayor tamaño (flóculos) que permitan su sedimentación menstabgb.com. La formación de estos flóculos se favorece con la adición de polielectrolitos que se caracterizan por moléculas orgánicas poliméricas que son ionizables. Estos compuestos forman puentes entre las partículas, dando lugar a fenómeno de floculación con partículas de mayor tamaño que resultan sedimentables.
Reducción de sólidos en suspensión y materia orgánica (DQO y DBO) como alternativa al tratamiento biológico.
Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo, ó sólidos dispersados que no sedimentan con facilidad. Una parte considerable de estos sólidos que no sedimentan pueden ser coloides. En los coloides, cada partícula se encuentra estabilizada por una serie de cargas de
partículas y que formen así masas mayores, llamadas flóculos, las partículas no sedimentan. Las operaciones de
Los términos Coagulación y Floculación se utilizan ambos indistintamente en colación con la formación de agregados. Sin embargo, conviene señalar las diferencias conceptuales entre estas dos operaciones. La confusión proviene del hecho de que frecuentemente ambas operaciones se producen de manera simultánea. Para aclarar ideas definiremos Coagulación como la desestabilización de la suspensión coloidal, mientras que la Floculación se limita a los fenómenos de transporte de las partículas coaguladas para provocar colisiones entre ellas promoviendo su aglomeración. Por tanto:
Desestabilización de un coloide producida por la eliminación de las dobles capas eléctricas que rodean a
Aglomeración de partículas desestabilizadas primero en microflóculos, y más tarde en aglomerados
En la Figura 1 se muestra como los coagulantes cancelan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide permitiendo la aglomeración y la formación de flóculos. Estos flóculos inicialmente son pequeños, pero se juntan y forman aglomerados mayores capaces de sedimentar. Para favorecer la formación de aglomerados de mayor tamaño se adicionan un grupo de productos denominados floculantes. Cuando se aproximan dos partículas semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión, cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que
1) Desestabilización. Las teorías sobre el mecanismo de este fenómeno se basan en la química coloidal y de superficies.
2) Transporte de núcleos microscópicos para formar agregados densos. La teoría del transporte está basada en la
Las especies coloidales halladas en aguas superficiales y resjduaJes incluyen arcillas, sílice, hierro, metales pesados, color
Se han postulado diversas teorías para describir el fenómeno de las repulsiones entre partículas coloidales. Prácticamente, todo lo que se necesita para definir el sistema es la determinación de la naturaleza y la magnitud de la carga de la partícula. La magnitud de la carga, ilustrada por la capa que en la Figura 1 rodea al coloide, determina lo
La coagulación se puede presentar a un potencial pequeño sin necesidad de neutralizarlo por completo. Si se añade demasiado coagulante las partículas se cargan ahora con el signo contrario y pueden volver a dispersarse.
La coagulación se puede presentar a un potencial pequeño sin necesidad de neutralizarlo por completo. Si se añade demasiado coagulante las partículas se cargan ahora con el signo contrario y pueden volver a dispersarse.
Para complementar la adición del coagulante se requiere del mezclado para destruir la estabilidad del sistema coloidal. Para que las partículas se aglomeren deben chocar, y el mezclado promueve la colisión. El movimiento browniano, movimiento caótico comunicado a las partículas pequeñas al ser bombardeadas por moléculas individuales de agua, está siempre presente como una fuerza homogeneizadora natural. Sin embargo, casi siempre es necesaria energía adicional de mezclado. Un mezclado de gran intensidad que distribuya al coagulante y promueva colisiones rápidas es lo más efectivo. También son importantes en la coagulación la frecuencia y el número de colisiones entre las partículas. Así, en
Una vez que se ha añadido el coagulante y se ha realizado la operación de coagulación se pasa a la formación de flóculos mayores. Puede ocurrir que el flóculo formado por la aglomeración de varios coloides no sea lo suficientemente grande como para asentarse con la rapidez deseada. Por ello es conveniente utilizar productos coadyuvantes de la floculación ó simplemente denominados Floculantes. Un floculante reúne partículas en una red, formando puentes de una superficie a otra y enlazando las partículas individuales en aglomerados. La floculación es estimulada por un mezclado lento que junta poco a poco los flóculos. Un mezclado demasiado intenso los rompe y rara vez se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos. Una buena floculación favorece el manejo del lodo final para su
Como podemos observar el primer reactor con pH= 8.56 sedimento mas rapido debido a que el Al2(SO4)3 trabaja mejor
CARBÓN ACTIVADO
Carbón activado es un término genérico que describe una familia de adsorbentes carbonáceos altamente cristalinos y una estructura poral interna extensivamente desarrollada.Existe una amplia variedad de productos de carbón activado que muestran diferentes características, dependiendo del material de partida y la técnica de activación usada en su producción.1Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de microporos (poros menores a 1 nanómetro de radio). A causa de su alta microporosidad, un solo gramo de carbón activado puede poseer un área superficial de 500 m² o más.El carbón activado se utiliza en la extracción de metales (v. gr. oro), la purificación de agua potable (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina para casos de intoxicación, en el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre otros muchos usos.
Generalmente se produce por dos métodos diferentes:
1. Activación química: una sustancia deshidratante, que puede ser un ácido, se mezcla con la materia prima y se somete a un tratamiento a temperaturas moderadas. Esta técnica puede ser problemática porque, por ejemplo, al usar como agente deshidratante cloruro de zinc los residuos del cinc pueden permanecer en el producto final, aún después de lavado.2. Activación física o del vapor: el material carbonizado se trata con una mezcla de gases de combustión y vapor de agua a una alta temperatura para que se active.
Como material de partida se usan varios materiales carbonosos, como cáscaras de nuez, madera, coco.
Nanoporos de una muestra de carbón activado, vistos al microscopio electrónico.
El carbón activado puede tener un área superficial mayor de 500 m²/g, siendo fácilmente alcanzables valores de 1000 m²/g. Algunos carbones activados pueden alcanzar valores superiores a los 2500 m²/g. A modo de comparación, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m².Bajo un microscopio electrónico, la estructura del carbón activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles más bajos se encuentran zonas donde hay pequeñas superficies planas tipo grafito, separadas solamente por algunos nanómetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de absorción. La evaluación de la absorción se hace generalmente mediante nitrógeno gaseoso a 77 K bajo alto vacío.El carbón activo saturado se puede regenerar mediante la aplicación de calor. Los aerogeles de carbón, que son más costosos, tienen superficies efectivas muy altas y encuentran uso similar al carbón activado en aplicaciones especiales.
Sus principales características son:
Área superficial
Es la extensión de la superficie de los poros desarrollada dentro de la matrix del carbón activado. Se mide usando nitrógeno (N2). Es el indicador primario del nivel de actividad, asumiendo que a mayor área superficial, mayor número de puntos de absorción disponibles.
Radios porales
La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una forma extremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPAC define la distribución de radios porales de la siguiente forma:
Microporos r < 1 nm
Mesoporos r ≈ 1-25 nmMacroporos r > 25 nm
Los macroporos son la vía de entrada al carbón activado, los mesoporos realizan el transporte, y los microporos la absorción.
Número de yodoEs una medida de la porosidad mediante absorción de yodo en solución.
Actividad de tetracloruro de carbonoEs una medida de la porosidad mediante absorción de vapor saturado de tetracloruro de carbono.
DurezaLa dureza es un factor importante en el diseño del sistema, la vida útil de los filtros y la forma de manipulación. Presenta grandes variaciones, dependiendo del material original y su nivel de actividad.
Densidad
La densidad bulk debe considerarse cuidadosamente cuando se deban llenar volúmenes fijos; puede tener implicaciones comerciales. La densidad limpiado y secado
Tamaño de las partículas
Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de absorción. En sistemas de fase vapor, esto se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta los costos energéticos. Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos.
Proceso del carbón activado.siempre muestra un valor menor, debido a la película de agua entre las partículas de carbón activado.
El proceso del carbón activado se basa en producir un carbón a partir de materiales como: cortezas de almendros, cascara de coco, turba, petróleo, brea y polímeros, nogales, palmeras u otras maderas, y carbón mineral. Este proceso se puede dividir en dos tipos:
Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas, la carbonización que elimina elementos como hidrogeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmosfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. Esto se hace en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000 ℃
Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700 . Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante se lava para la eliminación de ácido.℃
El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.
AGUAS POTABLES
Tomaremos como base las normas aplicables a sistemas públicos de agua potable de un país desarrollado y otro en desarrollo: Estados Unidos1 y México2. Los contaminantes del agua pueden clasificarse en: organolépticos, microbiológicos, químicos orgánicos, químicos inorgánicos y radioactivos. Los procesos tradicionales de potabilización están enfocados, desde hace décadas, a cumplir con los microbiológicos y con los organolépticos (sabor, olor, color y turbiedad). Por razones obvias, los contaminantes microbiológicos son los que más se atienden y se controlan. La cloración sigue siendo el desinfectante más utilizado, tanto por su competitividad económica, como por su alto tiempo de vida media, que es una condición importante en sistemas públicos de agua potable que requieren protección en el agua hasta que ésta llega por la red de distribución al usuario final. Sin embargo, a menor escala –industrias– la UV y la ozonización están ganando terreno, gracias a que no generan trihalometanos y otros compuestos orgánicos clorados, que han sido limitados por las normas, debido a su peligrosidad.
En cuanto a los organolépticos, no suelen representar un un riesgo para la salud. De hecho, la norma estadounidense no fija límites permisibles para ellos; sólo señala valores que sirven como guía. Para cumplir con ellos, normalmente sólo se requiere un tratamiento específico en el caso de aguas superficiales: coagulación-floculación–clarificación–filtración. En un porcentaje considerable de dichas aguas superficiales, aparecen problemas de olor estacionales generados por algas –producen geosmina y MIB–, que se resuelven con relativa facilidad mediante adsorción en carbón activado (CA). Para fines del tratamiento del agua, los contaminantes químicos orgánicos pueden clasificarse en: • Materia orgánica natural (MON) • Químicos orgánicos sintéticos (QOSs)
• Subproductos de la desinfección (SPDs)
La MON suele ser la responsable de los problemas organolépticos. Proviene del metabolismo vegetal y animal, y se encuentra, principalmente, en aguas superficiales. Un alto porcentaje consiste en moléculas poliaromáticas complejas, clasificadas en forma amplia como sustancias húmicas, y con pesos moleculares de entre aproximadamente 300 y 30,000. Muchas de estas moléculas están presentes en forma coloidal y son las que se eliminan con los procesos de coagulación-floculación-clarificación-filtración. Son poco retenibles en CA ya que, mayoría, no caben en los poros del mismo. Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA: - Que su peso molecular sea mayor a 55 - Que tenga un carácter covalente (no iónico) - Que no se disocie en medio acuoso - Que sea poco polar - Que sea poco soluble en agua - Que su punto de ebullición sea relativamente alto
En el caso particular del cloruro de vinilo, no se utiliza CA para retenerlo pues polimeriza en la superficie del carbón. Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA: - Que su peso molecular sea mayor a 55 - Que tenga un carácter covalente (no iónico) - Que no se disocie en medio acuoso - Que sea poco polar - Que sea poco soluble en agua - Que su punto de ebullición sea relativamente alto
En el caso particular del cloruro de vinilo, no se utiliza CA para retenerlo pues polimeriza en la superficie del carbón. Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA. Para el caso de los químicos inorgánicos, una solución casi universal, como lo es el CA para los orgánicos, lo constituyen, tanto la destilación como la ósmosis inversa. En la actualidad, la destilación en pocos casos es rentable. Sin embargo, a escala industrial, la ósmosis inversa, cada vez se hace más competitiva y, por lo tanto, más frecuente. De hecho, no sólo se le está aplicando para fines de cumplimiento de las normas, sino también, para obtener aguas bajas en sales, cuyo sabor ha sido bien acogido. La metodología que señala la USEPA en mayor número de casos de contaminantes inorgánicos es el intercambio iónico, que es primo hermano de la adsorción. Ambos fenómenos de superficie obedecen a leyes similares. De hecho, existen varios casos en los que el intercambio iónico –específicamente el aniónico débil– compite con el carbón activado. Algunos ejemplos son la refinación de azúcar y la eliminación de color, grasas y aceites en aguas residuales. El intercambio iónico se utiliza mucho a escala industrial pero poco a las escalas mayores de muchas plantas municipales. Tres de las mejores tecnologías disponibles para la retención de inorgánicos son: coagulación-floculación-filtración; ablandamiento con cal y oxidación química. Todas ellas utilizan los mismos equipos y procedimientos. Sólo varían los químicos que utilizan, por lo que se pueden considerar como una sola. Estas técnicas se aplican en casi todos los casos de aguas superficiales, que suelen coincidir con las plantas municipales. Son muy rentables a estos niveles de gran escala, y no lo son en plantas de baja producción. Existen otros métodos para retener contaminantes inorgánicos, algunos considerados en las normas –alúmina activada, carbón activado– y otros no considerados –zeolitas, carbón de hueso, arena verde, pirolusita, KDF, Birm, MTM, etc.–. Todos ellos han mostrado ser eficaces y competitivos para casos específicos. Aunque su descripción no entra dentro del alcance de esta presentación, vale la pena tomarlos en cuenta y estudiarlos, ya que pueden brindar soluciones interesantes. Finalmente, en relación con los contaminantes radioactivos, para fines de esta presentación no los abordaremos, ya que son poco comunes. Baste mencionar que están contemplados en las normas, y que existen tecnologías disponibles para separarlos del aguaAGUAS RESIDUALESLas aguas residuales provienen de todo tipo de procesos, por lo que, excepto para el caso de aquellas de uso doméstico, no siempre es sencillo clasificarlas. Una industria de proceso genera varias corrientes de aguas residuales. Antes de diseñar un proceso para tratarlas, es fundamental realizar lo siguiente: - Minimizar su generación, cosa que casi siempre es posible y que depende en gran parte de la capacitación del personal humano que opera las industrias. - Revisar si es conveniente, o no, combinar las distintas corrientes. Una o más de ellas podrían tener características tan diferentes a las de la mayoría, que quizás requieran un tratamiento muy específico.
Los dos pasos anteriores, aparentemente tan simples, pueden significar gran parte de la solución del problema. Al llevarlos a cabo, es común que se simplifique enormemente el diseño de la planta de tratamiento. Los contaminantes de un agua residual pueden clasificarse en: sólidos suspendidos y coloidales; aceites, grasas y otros materiales flotantes; acidez y alcalinidad; orgánicos solubles; iones de metales pesados; nutrientes de algas y bacterias –como el fósforo y el nitrógeno–; color, turbidez y olor; y otros compuestos específicos. Cuando existen compuestos tóxicos o no biodegradables que afecten a los procesos biológicos, se somete el agua a una primera etapa denominada de pre tratamiento, que tiene como objeto la eliminación de los mismos. Ésta puede componerse de:
Posteriormente está la etapa de tratamiento primario en la que se prepara al agua para la digestión biológica, se minimizan las variaciones en el flujo y la concentración, y se separan ciertos contaminantes. Los procesos utilizados son relativamente simples:
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l. Los procesos del tratamiento terciario se llevan a cabo después del tratamiento biológico, con el objeto de separar algunos contaminantes específicos.
Esta etapa no se aplica cuando el efluente del tratamiento secundario umple con las normas, lo cual es común cuando el agua no requiere reciclarse. La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
PROPIEDADES DEL CARBON ACTIVADO
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.El CA actúa como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafiticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensación del adsorbato gaseoso o la precipitación del adsorbato de la solución. El CA, adsorberá una molécula con mayor fuerza si existen dos placas grafíticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molécula con mayor peso molecular se retendrá con mayor fuerza, siempre y cuando su tamaño le permita caber entre las placas grafíticas.El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte. Los poros de adsorción consiste en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actúan como caminos de difusión; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.El CA adsorbe bien todo tipo de moléculas orgánicas. No así las inorgánicas, excepto algunas como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros. La mayoría de las moléculas orgánicas que tienen ligados átomos de cloro, bromo o yodo se adsorben con mayor fuerza.El CA puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso, cada materia prima brindará características y calidades distintas al producto. El tamaño de los poros y su distribución depende básicamente de la materia prima y no del método de activación.Aunque el CA puede fabricarse a partir de un sinnúmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan a nivel comercial la madera de pino, el carbón mineral lignítico, el carbón mineral bituminoso y la concha de coco, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el CA puede tener.La dureza o resistencia a la abrasión es una propiedad muy importante en los CA que se van a utilizar en forma granular, ya que la falta de ésta provoca erosión y rompimientos durante el manejo y el uso. La reactivación de un CA que no tenga suficiente dureza no resulta rentable, ya que el proceso de reactivación somete al carbón a una serie de movimiento y de acciones erosionantes que lo rompen y disminuye su tamaño.
ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS INORGÁNICAS POR REACCIÓN QUIMICA Y CATALÍTICA EN LA SUPERFICIE DEL CARBON ACTIVADO
· Oxidación o reducción para precipitar metales que, después, se retienen por sedimentación y/o filtración. · Aereación o arrastre con vapor para eliminar orgánicos volátiles o amoníaco. · Ozonización para romper moléculas refractarias y convertirlas en alcoholes, ácidos y cetonas de menor tamaño, que son biodegradables o adsorbibles en CAG. · Adsorción de orgánicos tóxicos en CAG.
· Retención de sólidos grandes por tamizado y sedimentación. · Ecualización para minimizar las variaciones en flujo y composición, mediante un tanque con agitación (este proceso es de suma importancia; si no se lleva a cabo correctamente, es muy probable que la planta no opere adecuadamente). · Neutralización con un ácido o un álcali. · Remoción de grasas, aceites y sólidos suspendidos por sedimentación, flotación o filtración.
En la mayoría de las aplicaciones el CA actúa como adsorbente, sin embargo también ocurren reacciones de sustancias inorgánicas en la superficie del mismo. Estas reacciones disminuyen la capacidad del CA para adsorber moléculas orgánicas.
1. Eliminación del ozono.El CA actúa como catalizador y el ozono se transforma en oxígeno. En fase líquida, el objetivo del CA es el de eliminar el ozono residual que queda después de la ozonización del agua. En fase gas, el CA se utiliza para eliminar el ozono, que es dañino para la salud cuando se encuentra en el aire que respira el hombre.
2. Eliminación de cloro libre.Está es una de las principales aplicaciones del CA. El cloro es un químico que se agrega al agua, principalmente como desinfectante. En el agua, el cloro queda disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCL), un ácido débil que tiende a disociarse
Al ácido hipocloroso (HCOCL) como al ion hipoclorito (OCL-) se les denomina cloro libre. El cloro que interviene en la etapa de desinfección se combina y deja de ser libre. Un vez terminada está etapa es necesario eliminar el cloro libre residual, porque es tóxico para el ser humano, imparte mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña la mayoría de las resinas de intercambio iónico y afecta a las membranas de osmosis inversa.
En donde CCA representa el carbón activado. CCAO y CCAO2 representan óxidos superficiales que poco a poco van ocupando espacios en la superficie del CA. Algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución, disolviéndose como ácido carbónico (HCO3), dejando espacios libres que alargan la vida del CA.Al mismo tiempo que el CA granular actúa como declorador, adsorbe la materia orgánica presente en el agua.
3. Eliminación de cloraminas.
El cloro libre reacciona con amoniaco en agua para formar la monocloramina (NH2CL). Este compuesto tiene propiedades biocidas, actúa más lentamente que el cloro libre, pero tiene la ventaja de ser más persistentes. La cloramina también puede producirse sin intención, al clorar agua de abastecimientos que contienen impurezas nitrogenadas. Su presencia en agua potable es causa de olor y se considera un problema en muchas industrias.
CCA + NH2CL + H2O
Carbón activado es un término genérico que describe una familia de adsorbentes carbonáceos altamente cristalinos y una estructura poral interna extensivamente desarrollada.Existe una amplia variedad de productos de carbón activado que muestran diferentes características, dependiendo del material de partida y la técnica de activación usada en su producción.1Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de microporos (poros menores a 1 nanómetro de radio). A causa de su alta microporosidad, un solo gramo de carbón activado puede poseer un área superficial de 500 m² o más.El carbón activado se utiliza en la extracción de metales (v. gr. oro), la purificación de agua potable (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina para casos de intoxicación, en el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre otros muchos usos.
1. Activación química: una sustancia deshidratante, que puede ser un ácido, se mezcla con la materia prima y se somete a un tratamiento a temperaturas moderadas. Esta técnica puede ser problemática porque, por ejemplo, al usar como agente deshidratante cloruro de zinc los residuos del cinc pueden permanecer en el producto final, aún después de lavado.2. Activación física o del vapor: el material carbonizado se trata con una mezcla de gases de combustión y vapor de agua a una alta temperatura para que se active.
Nanoporos de una muestra de carbón activado, vistos al microscopio electrónico.
El carbón activado puede tener un área superficial mayor de 500 m²/g, siendo fácilmente alcanzables valores de 1000 m²/g. Algunos carbones activados pueden alcanzar valores superiores a los 2500 m²/g. A modo de comparación, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m².Bajo un microscopio electrónico, la estructura del carbón activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles más bajos se encuentran zonas donde hay pequeñas superficies planas tipo grafito, separadas solamente por algunos nanómetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de absorción. La evaluación de la absorción se hace generalmente mediante nitrógeno gaseoso a 77 K bajo alto vacío.El carbón activo saturado se puede regenerar mediante la aplicación de calor. Los aerogeles de carbón, que son más costosos, tienen superficies efectivas muy altas y encuentran uso similar al carbón activado en aplicaciones especiales.
Es la extensión de la superficie de los poros desarrollada dentro de la matrix del carbón activado. Se mide usando nitrógeno (N2). Es el indicador primario del nivel de actividad, asumiendo que a mayor área superficial, mayor número de puntos de absorción disponibles.
La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una forma extremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPAC define la distribución de radios porales de la siguiente forma:
Los macroporos son la vía de entrada al carbón activado, los mesoporos realizan el transporte, y los microporos la absorción.
Es una medida de la porosidad mediante absorción de vapor saturado de tetracloruro de carbono.
La dureza es un factor importante en el diseño del sistema, la vida útil de los filtros y la forma de manipulación. Presenta grandes variaciones, dependiendo del material original y su nivel de actividad.
La densidad bulk debe considerarse cuidadosamente cuando se deban llenar volúmenes fijos; puede tener implicaciones comerciales. La densidad limpiado y secado
Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de absorción. En sistemas de fase vapor, esto se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta los costos energéticos. Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos.
Proceso del carbón activado.siempre muestra un valor menor, debido a la película de agua entre las partículas de carbón activado.
El proceso del carbón activado se basa en producir un carbón a partir de materiales como: cortezas de almendros, cascara de coco, turba, petróleo, brea y polímeros, nogales, palmeras u otras maderas, y carbón mineral. Este proceso se puede dividir en dos tipos:
Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas, la carbonización que elimina elementos como hidrogeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmosfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. Esto se hace en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000 ℃
Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700 . Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante se lava para la eliminación de ácido.℃
El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.
Tomaremos como base las normas aplicables a sistemas públicos de agua potable de un país desarrollado y otro en desarrollo: Estados Unidos1 y México2. Los contaminantes del agua pueden clasificarse en: organolépticos, microbiológicos, químicos orgánicos, químicos inorgánicos y radioactivos. Los procesos tradicionales de potabilización están enfocados, desde hace décadas, a cumplir con los microbiológicos y con los organolépticos (sabor, olor, color y turbiedad). Por razones obvias, los contaminantes microbiológicos son los que más se atienden y se controlan. La cloración sigue siendo el desinfectante más utilizado, tanto por su competitividad económica, como por su alto tiempo de vida media, que es una condición importante en sistemas públicos de agua potable que requieren protección en el agua hasta que ésta llega por la red de distribución al usuario final. Sin embargo, a menor escala –industrias– la UV y la ozonización están ganando terreno, gracias a que no generan trihalometanos y otros compuestos orgánicos clorados, que han sido limitados por las normas, debido a su peligrosidad.
En cuanto a los organolépticos, no suelen representar un un riesgo para la salud. De hecho, la norma estadounidense no fija límites permisibles para ellos; sólo señala valores que sirven como guía. Para cumplir con ellos, normalmente sólo se requiere un tratamiento específico en el caso de aguas superficiales: coagulación-floculación–clarificación–filtración. En un porcentaje considerable de dichas aguas superficiales, aparecen problemas de olor estacionales generados por algas –producen geosmina y MIB–, que se resuelven con relativa facilidad mediante adsorción en carbón activado (CA). Para fines del tratamiento del agua, los contaminantes químicos orgánicos pueden clasificarse en:
La MON suele ser la responsable de los problemas organolépticos. Proviene del metabolismo vegetal y animal, y se encuentra, principalmente, en aguas superficiales. Un alto porcentaje consiste en moléculas poliaromáticas complejas, clasificadas en forma amplia como sustancias húmicas, y con pesos moleculares de entre aproximadamente 300 y 30,000. Muchas de estas moléculas están presentes en forma coloidal y son las que se eliminan con los procesos de coagulación-floculación-clarificación-filtración. Son poco retenibles en CA ya que, mayoría, no caben en los poros del mismo. Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
En el caso particular del cloruro de vinilo, no se utiliza CA para retenerlo pues polimeriza en la superficie del carbón. Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
En el caso particular del cloruro de vinilo, no se utiliza CA para retenerlo pues polimeriza en la superficie del carbón. Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA. Para el caso de los químicos inorgánicos, una solución casi universal, como lo es el CA para los orgánicos, lo constituyen, tanto la destilación como la ósmosis inversa. En la actualidad, la destilación en pocos casos es rentable. Sin embargo, a escala industrial, la ósmosis inversa, cada vez se hace más competitiva y, por lo tanto, más frecuente. De hecho, no sólo se le está aplicando para fines de cumplimiento de las normas, sino también, para obtener aguas bajas en sales, cuyo sabor ha sido bien acogido. La metodología que señala la USEPA en mayor número de casos de contaminantes inorgánicos es el intercambio iónico, que es primo hermano de la adsorción. Ambos fenómenos de superficie obedecen a leyes similares. De hecho, existen varios casos en los que el intercambio iónico –específicamente el aniónico débil– compite con el carbón activado. Algunos ejemplos son la refinación de azúcar y la eliminación de color, grasas y aceites en aguas residuales. El intercambio iónico se utiliza mucho a escala industrial pero poco a las escalas mayores de muchas plantas municipales. Tres de las mejores tecnologías disponibles para la retención de inorgánicos son: coagulación-floculación-filtración; ablandamiento con cal y oxidación química. Todas ellas utilizan los mismos equipos y procedimientos. Sólo varían los químicos que utilizan, por lo que se pueden considerar como una sola. Estas técnicas se aplican en casi todos los casos de aguas superficiales, que suelen coincidir con las plantas municipales. Son muy rentables a estos niveles de gran escala, y no lo son en plantas de baja producción. Existen otros métodos para retener contaminantes inorgánicos, algunos considerados en las normas –alúmina activada, carbón activado– y otros no considerados –zeolitas, carbón de hueso, arena verde, pirolusita, KDF, Birm, MTM, etc.–. Todos ellos han mostrado ser eficaces y competitivos para casos específicos. Aunque su descripción no entra dentro del alcance de esta presentación, vale la pena tomarlos en cuenta y estudiarlos, ya que pueden brindar soluciones interesantes. Finalmente, en relación con los contaminantes radioactivos, para fines de esta presentación no los abordaremos, ya que son poco comunes. Baste mencionar que están contemplados en las normas, y que existen tecnologías disponibles para separarlos del agua
Las aguas residuales provienen de todo tipo de procesos, por lo que, excepto para el caso de aquellas de uso doméstico, no siempre es sencillo clasificarlas. Una industria de proceso genera varias corrientes de aguas residuales. Antes de diseñar un proceso para tratarlas, es fundamental realizar lo siguiente: - Minimizar su generación, cosa que casi siempre es posible y que depende en gran parte de la capacitación del personal humano que opera las industrias. - Revisar si es conveniente, o no, combinar las distintas corrientes. Una o más de ellas podrían tener características tan diferentes a las de la mayoría, que quizás requieran un tratamiento muy específico.
Los dos pasos anteriores, aparentemente tan simples, pueden significar gran parte de la solución del problema. Al llevarlos a cabo, es común que se simplifique enormemente el diseño de la planta de tratamiento. Los contaminantes de un agua residual pueden clasificarse en: sólidos suspendidos y coloidales; aceites, grasas y otros materiales flotantes; acidez y alcalinidad; orgánicos solubles; iones de metales pesados; nutrientes de algas y bacterias –como el fósforo y el nitrógeno–; color, turbidez y olor; y otros compuestos específicos. Cuando existen compuestos tóxicos o no biodegradables que afecten a los procesos biológicos, se somete el agua a una primera etapa denominada de pre tratamiento, que tiene como objeto la eliminación de los mismos. Ésta puede componerse de:
Posteriormente está la etapa de tratamiento primario en la que se prepara al agua para la digestión biológica, se minimizan las variaciones en el flujo y la concentración, y se separan ciertos contaminantes. Los procesos utilizados son relativamente simples:
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l. Los procesos del tratamiento terciario se llevan a cabo después del tratamiento biológico, con el objeto de separar algunos contaminantes específicos.
Esta etapa no se aplica cuando el efluente del tratamiento secundario umple con las normas, lo cual es común cuando el agua no requiere reciclarse. La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.El CA actúa como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafiticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensación del adsorbato gaseoso o la precipitación del adsorbato de la solución. El CA, adsorberá una molécula con mayor fuerza si existen dos placas grafíticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molécula con mayor peso molecular se retendrá con mayor fuerza, siempre y cuando su tamaño le permita caber entre las placas grafíticas.El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte. Los poros de adsorción consiste en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actúan como caminos de difusión; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.El CA adsorbe bien todo tipo de moléculas orgánicas. No así las inorgánicas, excepto algunas como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros. La mayoría de las moléculas orgánicas que tienen ligados átomos de cloro, bromo o yodo se adsorben con mayor fuerza.El CA puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso, cada materia prima brindará características y calidades distintas al producto. El tamaño de los poros y su distribución depende básicamente de la materia prima y no del método de activación.Aunque el CA puede fabricarse a partir de un sinnúmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan a nivel comercial la madera de pino, el carbón mineral lignítico, el carbón mineral bituminoso y la concha de coco, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el CA puede tener.La dureza o resistencia a la abrasión es una propiedad muy importante en los CA que se van a utilizar en forma granular, ya que la falta de ésta provoca erosión y rompimientos durante el manejo y el uso. La reactivación de un CA que no tenga suficiente dureza no resulta rentable, ya que el proceso de reactivación somete al carbón a una serie de movimiento y de acciones erosionantes que lo rompen y disminuye su tamaño.
ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS INORGÁNICAS POR REACCIÓN QUIMICA Y CATALÍTICA EN LA SUPERFICIE DEL CARBON ACTIVADO
· Oxidación o reducción para precipitar metales que, después, se retienen por sedimentación y/o filtración.
· Ozonización para romper moléculas refractarias y convertirlas en alcoholes, ácidos y cetonas de menor tamaño, que son biodegradables o adsorbibles en CAG.
· Ecualización para minimizar las variaciones en flujo y composición, mediante un tanque con agitación (este proceso es de suma importancia; si no se lleva a cabo correctamente, es muy probable que la planta no opere adecuadamente).
· Remoción de grasas, aceites y sólidos suspendidos por sedimentación, flotación o filtración.
En la mayoría de las aplicaciones el CA actúa como adsorbente, sin embargo también ocurren reacciones de sustancias inorgánicas en la superficie del mismo. Estas reacciones disminuyen la capacidad del CA para adsorber moléculas orgánicas.
El CA actúa como catalizador y el ozono se transforma en oxígeno. En fase líquida, el objetivo del CA es el de eliminar el ozono residual que queda después de la ozonización del agua. En fase gas, el CA se utiliza para eliminar el ozono, que es dañino para la salud cuando se encuentra en el aire que respira el hombre.
Está es una de las principales aplicaciones del CA. El cloro es un químico que se agrega al agua, principalmente como desinfectante. En el agua, el cloro queda disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCL), un ácido débil que tiende a disociarse
Al ácido hipocloroso (HCOCL) como al ion hipoclorito (OCL-) se les denomina cloro libre. El cloro que interviene en la etapa de desinfección se combina y deja de ser libre. Un vez terminada está etapa es necesario eliminar el cloro libre residual, porque es tóxico para el ser humano, imparte mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña la mayoría de las resinas de intercambio iónico y afecta a las membranas de osmosis inversa.
En donde CCA representa el carbón activado. CCAO y CCAO2 representan óxidos superficiales que poco a poco van ocupando espacios en la superficie del CA. Algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución, disolviéndose como ácido carbónico (HCO3), dejando espacios libres que alargan la vida del CA.Al mismo tiempo que el CA granular actúa como declorador, adsorbe la materia orgánica presente en el agua.
El cloro libre reacciona con amoniaco en agua para formar la monocloramina (NH2CL). Este compuesto tiene propiedades biocidas, actúa más lentamente que el cloro libre, pero tiene la ventaja de ser más persistentes. La cloramina también puede producirse sin intención, al clorar agua de abastecimientos que contienen impurezas nitrogenadas. Su presencia en agua potable es causa de olor y se considera un problema en muchas industrias.
Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de microporos (poros menores a 1 nanómetro de radio). A causa de su alta microporosidad, un solo gramo de carbón activado puede poseer un área superficial de 500 m² o más.El carbón activado se utiliza en la extracción de metales (v. gr. oro), la purificación de agua potable (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina para casos de intoxicación, en el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre otros muchos usos.
1. Activación química: una sustancia deshidratante, que puede ser un ácido, se mezcla con la materia prima y se somete a un tratamiento a temperaturas moderadas. Esta técnica puede ser problemática porque, por ejemplo, al usar como agente deshidratante cloruro de zinc los residuos del cinc pueden permanecer en el producto final, aún después de lavado.
El carbón activo saturado se puede regenerar mediante la aplicación de calor. Los aerogeles de carbón, que son más costosos, tienen superficies efectivas muy altas y encuentran uso similar al carbón activado en aplicaciones especiales.
Es la extensión de la superficie de los poros desarrollada dentro de la matrix del carbón activado. Se mide usando nitrógeno (N2). Es el indicador primario del nivel de actividad, asumiendo que a mayor área superficial, mayor número de puntos de absorción disponibles.
La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una forma extremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPAC define la distribución de radios porales de la siguiente forma:
La dureza es un factor importante en el diseño del sistema, la vida útil de los filtros y la forma de manipulación. Presenta grandes variaciones, dependiendo del material original y su nivel de actividad.
Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de absorción. En sistemas de fase vapor, esto se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta los costos energéticos. Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos.
El proceso del carbón activado se basa en producir un carbón a partir de materiales como: cortezas de almendros, cascara de coco, turba, petróleo, brea y polímeros, nogales, palmeras u otras maderas, y carbón mineral. Este proceso se puede dividir en dos tipos:
Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas, la carbonización que elimina elementos como hidrogeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmosfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. Esto se hace en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000 ℃
Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700 . Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante se lava para la eliminación de ácido.℃
El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.
Por razones obvias, los contaminantes microbiológicos son los que más se atienden y se controlan. La cloración sigue siendo el desinfectante más utilizado, tanto por su competitividad económica, como por su alto tiempo de vida media, que es una condición importante en sistemas públicos de agua potable que requieren protección en el agua hasta que ésta llega por la red de distribución al usuario final. Sin embargo, a menor escala –industrias– la UV y la ozonización están ganando terreno, gracias a que no generan trihalometanos y otros compuestos orgánicos clorados, que han sido limitados por las normas, debido a su peligrosidad.
En cuanto a los organolépticos, no suelen representar un un riesgo para la salud. De hecho, la norma estadounidense no fija límites permisibles para ellos; sólo señala valores que sirven como guía. Para cumplir con ellos, normalmente sólo se requiere un tratamiento específico en el caso de aguas superficiales: coagulación-floculación–clarificación–filtración. En un porcentaje considerable de dichas aguas superficiales, aparecen problemas de olor estacionales generados por algas –producen geosmina y MIB–, que se resuelven con relativa facilidad mediante adsorción en carbón activado (CA).
La MON suele ser la responsable de los problemas organolépticos. Proviene del metabolismo vegetal y animal, y se encuentra, principalmente, en aguas superficiales. Un alto porcentaje consiste en moléculas poliaromáticas complejas, clasificadas en forma amplia como sustancias húmicas, y con pesos moleculares de entre aproximadamente 300 y 30,000. Muchas de estas moléculas están presentes en forma coloidal y son las que se eliminan con los procesos de coagulación-floculación-clarificación-filtración. Son poco retenibles en CA ya que, mayoría, no caben en los poros del mismo. Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA. Para el caso de los químicos inorgánicos, una solución casi universal, como lo es el CA para los orgánicos, lo constituyen, tanto la destilación como la ósmosis inversa. En la actualidad, la destilación en pocos casos es rentable. Sin embargo, a escala industrial, la ósmosis inversa, cada vez se hace más competitiva y, por lo tanto, más frecuente. De hecho, no sólo se le está aplicando para fines de cumplimiento de las normas, sino también, para obtener aguas bajas en sales, cuyo sabor ha sido bien acogido. La metodología que señala la USEPA en mayor número de casos de contaminantes inorgánicos es el intercambio iónico, que es primo hermano de la adsorción. Ambos fenómenos de superficie obedecen a leyes similares. De hecho, existen varios casos en los que el intercambio iónico –específicamente el aniónico débil– compite con el carbón activado. Algunos ejemplos son la refinación de azúcar y la eliminación de color, grasas y aceites en aguas residuales. El intercambio iónico se utiliza mucho a escala industrial pero poco a las escalas mayores de muchas plantas municipales. Tres de las mejores tecnologías disponibles para la retención de inorgánicos son: coagulación-floculación-filtración; ablandamiento con cal y oxidación química. Todas ellas utilizan los mismos equipos y procedimientos. Sólo varían los químicos que utilizan, por lo que se pueden considerar como una sola. Estas técnicas se aplican en casi todos los casos de aguas superficiales, que suelen coincidir con las plantas municipales. Son muy rentables a estos niveles de gran escala, y no lo son en plantas de baja producción. Existen otros métodos para retener contaminantes inorgánicos, algunos considerados en las normas –alúmina activada, carbón activado– y otros no considerados –zeolitas, carbón de hueso, arena verde, pirolusita, KDF, Birm, MTM, etc.–. Todos ellos han mostrado ser eficaces y competitivos para casos específicos. Aunque su descripción no entra dentro del alcance de esta presentación, vale la pena tomarlos en cuenta y estudiarlos, ya que pueden brindar soluciones interesantes. Finalmente, en relación con los contaminantes radioactivos, para fines de esta presentación no los abordaremos, ya que son poco comunes. Baste mencionar que están contemplados en las normas, y que existen tecnologías disponibles para separarlos del agua
Las aguas residuales provienen de todo tipo de procesos, por lo que, excepto para el caso de aquellas de uso doméstico, no siempre es sencillo clasificarlas. Una industria de proceso genera varias corrientes de aguas residuales. Antes de diseñar un proceso para tratarlas, es fundamental realizar lo siguiente:
- Revisar si es conveniente, o no, combinar las distintas corrientes. Una o más de ellas podrían tener características tan diferentes a las de la mayoría, que quizás requieran un tratamiento muy específico.
Los dos pasos anteriores, aparentemente tan simples, pueden significar gran parte de la solución del problema. Al llevarlos a cabo, es común que se simplifique enormemente el diseño de la planta de tratamiento. Los contaminantes de un agua residual pueden clasificarse en: sólidos suspendidos y coloidales; aceites, grasas y otros materiales flotantes; acidez y alcalinidad; orgánicos solubles; iones de metales pesados; nutrientes de algas y bacterias –como el fósforo y el nitrógeno–; color, turbidez y olor; y otros compuestos específicos. Cuando existen compuestos tóxicos o no biodegradables que afecten a los procesos biológicos, se somete el agua a una primera etapa denominada de pre tratamiento, que tiene como objeto la eliminación de los mismos. Ésta puede componerse de:
Posteriormente está la etapa de tratamiento primario en la que se prepara al agua para la digestión biológica, se minimizan las variaciones en el flujo y la concentración, y se separan ciertos contaminantes. Los procesos utilizados son relativamente simples:
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.El CA actúa como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafiticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensación del adsorbato gaseoso o la precipitación del adsorbato de la solución. El CA, adsorberá una molécula con mayor fuerza si existen dos placas grafíticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molécula con mayor peso molecular se retendrá con mayor fuerza, siempre y cuando su tamaño le permita caber entre las placas grafíticas.El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte. Los poros de adsorción consiste en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actúan como caminos de difusión; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.El CA adsorbe bien todo tipo de moléculas orgánicas. No así las inorgánicas, excepto algunas como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros. La mayoría de las moléculas orgánicas que tienen ligados átomos de cloro, bromo o yodo se adsorben con mayor fuerza.El CA puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso, cada materia prima brindará características y calidades distintas al producto. El tamaño de los poros y su distribución depende básicamente de la materia prima y no del método de activación.Aunque el CA puede fabricarse a partir de un sinnúmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan a nivel comercial la madera de pino, el carbón mineral lignítico, el carbón mineral bituminoso y la concha de coco, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el CA puede tener.La dureza o resistencia a la abrasión es una propiedad muy importante en los CA que se van a utilizar en forma granular, ya que la falta de ésta provoca erosión y rompimientos durante el manejo y el uso. La reactivación de un CA que no tenga suficiente dureza no resulta rentable, ya que el proceso de reactivación somete al carbón a una serie de movimiento y de acciones erosionantes que lo rompen y disminuye su tamaño.
· Ecualización para minimizar las variaciones en flujo y composición, mediante un tanque con agitación (este proceso es de suma importancia; si no se lleva a cabo correctamente, es muy probable que la planta no opere adecuadamente).
En la mayoría de las aplicaciones el CA actúa como adsorbente, sin embargo también ocurren reacciones de sustancias inorgánicas en la superficie del mismo. Estas reacciones disminuyen la capacidad del CA para adsorber moléculas orgánicas.
El CA actúa como catalizador y el ozono se transforma en oxígeno. En fase líquida, el objetivo del CA es el de eliminar el ozono residual que queda después de la ozonización del agua. En fase gas, el CA se utiliza para eliminar el ozono, que es dañino para la salud cuando se encuentra en el aire que respira el hombre.
Está es una de las principales aplicaciones del CA. El cloro es un químico que se agrega al agua, principalmente como desinfectante. En el agua, el cloro queda disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCL), un ácido débil que tiende a disociarse
Al ácido hipocloroso (HCOCL) como al ion hipoclorito (OCL-) se les denomina cloro libre. El cloro que interviene en la etapa de desinfección se combina y deja de ser libre. Un vez terminada está etapa es necesario eliminar el cloro libre residual, porque es tóxico para el ser humano, imparte mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña la mayoría de las resinas de intercambio iónico y afecta a las membranas de osmosis inversa.
En donde CCA representa el carbón activado. CCAO y CCAO2 representan óxidos superficiales que poco a poco van ocupando espacios en la superficie del CA. Algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución, disolviéndose como ácido carbónico (HCO3), dejando espacios libres que alargan la vida del CA.
El cloro libre reacciona con amoniaco en agua para formar la monocloramina (NH2CL). Este compuesto tiene propiedades biocidas, actúa más lentamente que el cloro libre, pero tiene la ventaja de ser más persistentes. La cloramina también puede producirse sin intención, al clorar agua de abastecimientos que contienen impurezas nitrogenadas. Su presencia en agua potable es causa de olor y se considera un problema en muchas industrias.
El carbón activado se utiliza en la extracción de metales (v. gr. oro), la purificación de agua potable (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina para casos de intoxicación, en el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre otros muchos usos.
1. Activación química: una sustancia deshidratante, que puede ser un ácido, se mezcla con la materia prima y se somete a un tratamiento a temperaturas moderadas. Esta técnica puede ser problemática porque, por ejemplo, al usar como agente deshidratante cloruro de zinc los residuos del cinc pueden permanecer en el producto final, aún después de lavado.
Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de absorción. En sistemas de fase vapor, esto se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta los costos energéticos. Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos.
Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas, la carbonización que elimina elementos como hidrogeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmosfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. Esto se hace en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000 ℃
Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700 . Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante se lava para la eliminación de ácido.℃
El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.
Por razones obvias, los contaminantes microbiológicos son los que más se atienden y se controlan. La cloración sigue siendo el desinfectante más utilizado, tanto por su competitividad económica, como por su alto tiempo de vida media, que es una condición importante en sistemas públicos de agua potable que requieren protección en el agua hasta que ésta llega por la red de distribución
En cuanto a los organolépticos, no suelen representar un un riesgo para la salud. De hecho, la norma estadounidense no fija límites permisibles para ellos; sólo señala valores que sirven como guía. Para cumplir con ellos, normalmente sólo se requiere un tratamiento específico en el caso de aguas superficiales: coagulación-floculación–clarificación–filtración.
La MON suele ser la responsable de los problemas organolépticos. Proviene del metabolismo vegetal y animal, y se encuentra, principalmente, en aguas superficiales. Un alto porcentaje consiste en moléculas poliaromáticas complejas, clasificadas en forma amplia como sustancias húmicas, y con pesos moleculares de
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA. Para el caso de los químicos inorgánicos, una solución casi universal, como lo es el CA para los orgánicos, lo constituyen, tanto la destilación como la ósmosis inversa. En la actualidad, la destilación en pocos casos es rentable. Sin embargo, a escala industrial, la ósmosis inversa, cada vez se hace más competitiva y, por lo tanto, más frecuente. De hecho, no sólo se le está aplicando para fines de cumplimiento de las normas, sino también, para obtener aguas bajas en sales, cuyo sabor ha sido bien acogido. La metodología que señala la USEPA en mayor número de casos de contaminantes inorgánicos es el intercambio iónico, que es primo hermano de la adsorción. Ambos fenómenos de superficie obedecen a leyes similares. De hecho, existen varios casos en los que el intercambio iónico –específicamente el aniónico débil– compite con el carbón activado. Algunos ejemplos son la refinación de azúcar y la eliminación de color, grasas y aceites en aguas residuales. El intercambio iónico se utiliza mucho a escala industrial pero poco a las escalas mayores de muchas plantas municipales. Tres de las mejores tecnologías disponibles para la retención de inorgánicos son: coagulación-floculación-filtración; ablandamiento con cal y oxidación química. Todas ellas utilizan los mismos equipos y procedimientos. Sólo varían los químicos que utilizan, por lo que se pueden considerar como una sola. Estas técnicas se aplican en casi todos los casos de aguas superficiales, que suelen coincidir con las plantas municipales. Son muy rentables a estos niveles de gran escala, y no lo son en plantas de baja producción. Existen otros métodos para retener contaminantes inorgánicos, algunos considerados en las normas –alúmina activada, carbón activado– y otros no considerados –zeolitas, carbón de hueso, arena verde, pirolusita, KDF, Birm, MTM, etc.–. Todos ellos han mostrado ser eficaces y competitivos para casos específicos. Aunque su descripción no entra dentro del alcance de esta presentación, vale la pena tomarlos en cuenta y estudiarlos, ya que pueden brindar soluciones interesantes.
Las aguas residuales provienen de todo tipo de procesos, por lo que, excepto para el caso de aquellas de uso doméstico, no siempre es sencillo clasificarlas. Una industria de proceso genera varias corrientes de aguas residuales. Antes de diseñar un proceso para tratarlas, es fundamental realizar lo siguiente:
Los contaminantes de un agua residual pueden clasificarse en: sólidos suspendidos y coloidales; aceites, grasas y otros materiales flotantes; acidez y alcalinidad; orgánicos solubles; iones de metales pesados; nutrientes de algas y bacterias –como el fósforo y el nitrógeno–; color, turbidez y olor; y otros compuestos específicos.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.El CA actúa como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafiticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensación del adsorbato gaseoso o la precipitación del adsorbato de la solución. El CA, adsorberá una molécula con mayor fuerza si existen dos placas grafíticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molécula con mayor peso molecular se retendrá con mayor fuerza, siempre y cuando su tamaño le permita caber entre las placas grafíticas.El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte. Los poros de adsorción consiste en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actúan como caminos de difusión; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.El CA adsorbe bien todo tipo de moléculas orgánicas. No así las inorgánicas, excepto algunas como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros. La mayoría de las moléculas orgánicas que tienen ligados átomos de cloro, bromo o yodo se adsorben con mayor fuerza.
Aunque el CA puede fabricarse a partir de un sinnúmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan a nivel comercial la madera de pino, el carbón mineral lignítico, el carbón mineral bituminoso y la concha de coco, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el CA puede tener.La dureza o resistencia a la abrasión es una propiedad muy importante en los CA que se van a utilizar en forma granular, ya que la falta de ésta provoca erosión y rompimientos durante el manejo y el uso. La reactivación de un CA que no tenga suficiente dureza no resulta rentable, ya que el proceso de reactivación somete al carbón a una serie de movimiento y de acciones erosionantes que lo rompen y disminuye su tamaño.
El CA actúa como catalizador y el ozono se transforma en oxígeno. En fase líquida, el objetivo del CA es el de eliminar el ozono residual que queda después de la ozonización del agua. En fase gas, el CA se utiliza para eliminar el ozono, que es dañino para la salud cuando se encuentra en el aire que respira el hombre.
Al ácido hipocloroso (HCOCL) como al ion hipoclorito (OCL-) se les denomina cloro libre. El cloro que interviene en la etapa de desinfección se combina y deja de ser libre. Un vez terminada está etapa es necesario eliminar el cloro libre residual, porque es tóxico para el ser humano, imparte mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña la mayoría de las resinas de intercambio iónico y afecta a las membranas de osmosis inversa.
En donde CCA representa el carbón activado. CCAO y CCAO2 representan óxidos superficiales que poco a poco van ocupando espacios en la superficie del CA. Algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución, disolviéndose como ácido carbónico (HCO3), dejando espacios libres que alargan la vida del CA.
El cloro libre reacciona con amoniaco en agua para formar la monocloramina (NH2CL). Este compuesto tiene propiedades biocidas, actúa más lentamente que el cloro libre, pero tiene la ventaja de ser más persistentes. La cloramina también puede producirse sin intención, al clorar agua de abastecimientos que contienen impurezas nitrogenadas. Su presencia en agua potable es causa de olor y se considera un problema en muchas industrias.
Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas, la carbonización que elimina elementos como hidrogeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmosfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. Esto se hace en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000 ℃
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA. Para el caso de los químicos inorgánicos, una solución casi universal, como lo es el CA para los orgánicos, lo constituyen, tanto la destilación como la ósmosis inversa. En la actualidad, la destilación en pocos casos es rentable. Sin embargo, a escala industrial, la ósmosis inversa, cada vez se hace más competitiva y, por lo tanto, más frecuente. De hecho, no sólo se le está aplicando para fines de cumplimiento de las normas, sino también, para obtener aguas bajas en sales, cuyo sabor ha sido bien acogido. La metodología que señala la USEPA en mayor número de casos de contaminantes inorgánicos es el intercambio iónico, que es primo hermano de la adsorción. Ambos fenómenos de superficie obedecen a leyes similares. De hecho, existen varios casos en los que el intercambio iónico –específicamente el aniónico débil– compite con el carbón activado. Algunos ejemplos son la refinación de azúcar y la eliminación de color, grasas y aceites en aguas residuales. El intercambio iónico se utiliza mucho a escala industrial pero poco a las escalas mayores de muchas plantas municipales. Tres de las mejores tecnologías disponibles para la retención de inorgánicos son: coagulación-floculación-filtración; ablandamiento con cal y oxidación química. Todas ellas utilizan los mismos equipos y procedimientos. Sólo varían los químicos que utilizan, por lo que se pueden considerar como una sola. Estas técnicas se aplican en casi todos los casos de aguas superficiales, que suelen coincidir con las plantas municipales. Son muy rentables a estos niveles de gran escala, y no lo son en plantas de baja producción. Existen otros métodos para retener contaminantes inorgánicos, algunos considerados en las normas –alúmina activada, carbón activado– y otros no considerados –zeolitas, carbón de hueso, arena verde, pirolusita, KDF, Birm, MTM, etc.–. Todos ellos han mostrado ser eficaces y competitivos para casos específicos. Aunque su descripción no entra dentro del alcance de esta presentación, vale la pena tomarlos en cuenta y estudiarlos, ya que pueden brindar soluciones interesantes.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.El CA actúa como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafiticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensación del adsorbato gaseoso o la precipitación del adsorbato de la solución. El CA, adsorberá una molécula con mayor fuerza si existen dos placas grafíticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molécula con mayor peso molecular se retendrá con mayor fuerza, siempre y cuando su tamaño le permita caber entre las placas grafíticas.El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte. Los poros de adsorción consiste en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actúan como caminos de difusión; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.
La dureza o resistencia a la abrasión es una propiedad muy importante en los CA que se van a utilizar en forma granular, ya que la falta de ésta provoca erosión y rompimientos durante el manejo y el uso. La reactivación de un CA que no tenga suficiente dureza no resulta rentable, ya que el proceso de reactivación somete al carbón a una serie de movimiento y de acciones erosionantes que lo rompen y disminuye su tamaño.
Al ácido hipocloroso (HCOCL) como al ion hipoclorito (OCL-) se les denomina cloro libre. El cloro que interviene en la etapa de desinfección se combina y deja de ser libre. Un vez terminada está etapa es necesario eliminar el cloro libre residual, porque es tóxico para el ser humano, imparte mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña la mayoría de las resinas de intercambio iónico y afecta a las membranas de osmosis inversa.
El cloro libre reacciona con amoniaco en agua para formar la monocloramina (NH2CL). Este compuesto tiene propiedades biocidas, actúa más lentamente que el cloro libre, pero tiene la ventaja de ser más persistentes. La cloramina también puede producirse sin intención, al clorar agua de abastecimientos que contienen impurezas nitrogenadas. Su presencia en agua potable es causa de olor y se considera un problema en muchas industrias.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA.
La metodología que señala la USEPA en mayor número de casos de contaminantes inorgánicos es el intercambio iónico, que es primo hermano de la adsorción. Ambos fenómenos de superficie obedecen a leyes similares. De hecho, existen varios casos en los que el intercambio iónico –específicamente el aniónico débil– compite con el carbón activado. Algunos ejemplos son la refinación de azúcar y la eliminación de color, grasas y aceites en aguas residuales. El intercambio iónico se utiliza mucho a escala industrial pero poco a las escalas mayores de muchas plantas municipales. Tres de las mejores tecnologías disponibles para la retención de inorgánicos son: coagulación-floculación-filtración; ablandamiento con cal y oxidación química. Todas ellas utilizan los mismos equipos y procedimientos. Sólo varían los químicos que utilizan, por lo que se pueden considerar como una sola. Estas técnicas se aplican en casi todos los casos de aguas superficiales, que suelen coincidir con las plantas municipales. Son muy rentables a estos niveles de gran escala, y no lo son en plantas de baja producción.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.El CA actúa como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafiticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensación del adsorbato gaseoso o la precipitación del adsorbato de la solución. El CA, adsorberá una molécula con mayor fuerza si existen dos placas grafíticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molécula con mayor peso molecular se retendrá con mayor fuerza, siempre y cuando su tamaño le permita caber entre las placas grafíticas.El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte. Los poros de adsorción consiste en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actúan como caminos de difusión; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Muchos de los QOSs y de los SPDs, ingeridos a largo plazo, aún en muy bajas concentraciones, suelen ser altamente dañinos para la salud. Actualmente, se encuentran presentes en la mayoría de los cuerpos de agua. El CA los adsorbe eficazmente y ha habido unanimidad en considerarlo la mejor tecnología disponible para separarlos del agua. En las normas, estadounidense y mexicana, se señala al CA como la mejor tecnología disponible para retenerlos. Los pocos casos en los que el carbón no se señala –acrilamida, diclorometano, glifosato–, son aquellos en los que la molécula no cumple las condiciones requeridas para que se favorezca la adsorción en CA:
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Por su universalidad como adsorbente de compuestos orgánicos, prácticamente no existe un proceso de potabilización en la industria de bebidas que no utilice CA. Sin embargo, frecuentemente se le considera únicamente como un método para eliminar el cloro residual después de la desinfección. El CA elimina el cloro libre, no por adsorción, sino por reacción química en la que lo convierte en cloruro. El problema de quienes tienen esta única idea del CA, radica en que lo sustituyen hasta que deja de eliminar totalmente el cloro libre: esto sucede muchos meses después de que el carbón ha dejado de adsorber contaminantes orgánicos. Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
La adsorción en CA es el tratamiento terciario más utilizado, y tiene como objetivo la retención de compuestos orgánicos no biodegradables o que no fueron digeridos en el tratamiento biológico. Entre estos compuestos, son típicos los casos de sustancias coloridas, de orgánicos halogenados y de metales acomplejados con moléculas orgánicas. Cuando se utiliza CAG, previo a la adsorción puede ozonizarse el agua con el mismo objeto que en el caso del pretratamiento. También puede utilizarse carbón activado en polvo (CAP), que posteriormente se elimina por sedimentación o por medio de un filtro prensa. La sedimentación requiere de floculantes y la filtración puede requerir de filtroayudas.
Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los átomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafíticas. Estas placas son planas, están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal característica: un gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1.500 m2/g.
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Un grupo de SPDs generados en la cloración, los trihalometanos, han sido motivo de gran preocupación debido a su carcinogenicidad. Aunque el CA es la mejor tecnología disponible para retenerlos, pierde en pocas semanas su capacidad para adsorberlos. Por lo tanto, se recomienda utilizar un desinfectante diferente al cloro o separar los contaminantes orgánicos previo a la cloración. Algunos municipios han cambiado a otros desinfectantes, aunque éstos no están exentos de la formación de otros SPDs. Es difícil de entender, pero son muy raros los casos de las plantas potabilizadoras que estén tratando el agua con CA previo a la cloración: este proceso tendría un bajo costo por litro de agua tratada y resolvería el problema de los SPDs.
Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
Respecto a las potabilizadoras municipales, en América Latina aún son pocas las que están utilizando el CA. Esto significa en muchos casos no es realmente potable el agua que distribuyen. La aplicación del CA puede llevarse a cabo –como se ha hecho en los países desarrollados– sin necesidad de cambiar los equipos de las plantas existentes: simplemente se sustituyen las camas de los filtros de arena por camas de carbón activado granular (CAG), que realizarán, tanto la función de filtración, como la de adsorción. Aunque esto significa una inversión que puede ser relativamente alta, el costo por metro cúbico de agua tratado es relativamente bajo, mientras que el beneficio en la protección de la salud es importante. Hay que mencionar que los volúmenes de CA requeridos por una planta municipal –que son relativamente altos– suelen justificar la reactivación del carbón: en algunos casos, in situ y en otros, en la planta del fabricante del CA.
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica de los compuestos orgánicos solubles y coloidales. Normalmente es de tipo aeróbico, en el que bacterias y otros microorganismos convierten el carbono orgánico en dióxido de carbono, agua y en nuevas células. En el tratamiento anaeróbico, los microorganismos producen metano, CO2, y también otras células. En ambos casos, la biomasa y ciertos materiales no biodegradables, sedimentan y forman un lodo. El tratamiento anaeróbico se aplica en aguas con altas cargas de contaminantes, que tienen una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO) –Aprox. de 3,000 mg/l o superiores–. La eficiencia de remoción típica es de alrededor de 70-80%, pero debido a que el influente es muy rico, el efluente puede contener una DBO aún muy alta. En este último caso, se somete el agua a un tratamiento aeróbico posterior. El tratamiento aeróbico puede disminuir el DBO de 3,000 mg/l hasta menos de 50 mg/l.
