Como seleccionar un coagulante y un floculante






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COMO SELECCIONAR UN COAGULANTE Y UN FLOCULANTE

Primera parte

Para un proceso de clarificación siempre se hará necesario considerar la adición de químicos que incrementen la eficiencia de la operación. Las consideraciones parten por el hecho de que ningún equipo es 100% eficiente. Otras consideraciones tienen que ver con la relación entre los costos de inversión en equipos y los costos de operación. Puede ser que dadas las restricciones de capital, lo conveniente sea reducir el tamaño de los equipos si se puede conseguir los resultados con el tratamiento químico. Otra razón tiene que ver con la disponibilidad o costo del terreno que no permite la utilización de procesos extensos y por lo tanto la optimización de los recursos debe ser la prioridad.

Los tratamientos químicos encuentran una utilización típica para la eliminación de los coloides y sólidos suspendidos en un medio acuoso, incluyendo la dureza del calcio y del magnesio, turbidez de origen mineral, coloración de origen orgánica y otras sustancias orgánicas y la eliminación de especies microbiológicas indeseables causantes de enfermedades.

Las cuatro categorías de químicos utilizados son:

  • Cal para el ablandamiento y precipitación de carbonatos

  • Coagulantes y floculantes para la eliminación de sólidos y coloides en suspensión

  • Carbón activado para la eliminación de sabores y olores

  • Desinfectantes para la eliminación de especies patógenas (Greville, 1979)

Existen tres clase de consideraciones que son muy importantes para poder escoger el producto más adecuado a ser incorporado en un proceso:

  • La calidad del agua entrando al proceso

  • Las características de los equipos y del proceso

  • Los objetivos que se persiguen

Un proceso de clarificación usualmente comprende las siguientes operaciones:

  • Coagulación

  • Floculación

  • Sedimentación

  • Filtrado

En este artículo, en la primera parte, nos vamos a enfocar en los procesos de coagulación, para en la segunda parte, tratar sobre la floculación. Los dos procesos que son generalmente la clave para obtener el mejor resultado en la clarificación.

Las técnicas del control de coagulación han avanzado lentamente, generalmente la dosificación se basa en el ojo del operador, tratándose más bien de un arte conseguido con los años de experiencia. Muchas veces, de manera equivocada, se ha asumido, que tratándose de la dosificación, que si poco era bueno, más era mejor, pero usualmente el caso es que era peor.

LA INTERACCIÓN DE LOS COLOIDES

LA CARGA DE LAS PARTÍCULAS PREVIENE LA COAGULACIÓN

La clave para una efectiva coagulación y floculación es una comprensión de los mecanismos de interacción entre los coloides. Las partículas que generan turbidez están en un rango de tamaño de 0.1 a 100 micrones. Las partículas más grandes son relativamente fáciles de sedimentar o filtrar. El rango del tamaño de los coloides de 0.1 a 5 micras son las que presentan el real desafío. El tiempo en que llegan a sedimentar es sumamente largo y escapan y no son retinadas en la filtración.

Las partículas coloidales llevan una pequeña carga, generalmente negativa. Esto hace que las partículas se repelan unas a otras evitando la aglomeración y la posterior floculación. Como resultado de esta particularidad, los coloides tienden a permanecer separados, dispersos y en suspensión.

Si por el contrario la carga es significativamente reducida o eliminada, los coloides se juntan. Primero formando pequeños grupos, luego grandes agregados y finalmente formando partículas visibles de flóculos que sedimentan rápidamente o pueden ser fácilmente filtrados.

FUERZAS ELÉCTRICAS

EL MODELO DE LA DOBLE CAPA

El modelo de doble capa es utilizado para visualizar el ambiente iónico en la vecindad de un coloide cargado eléctricamente y explica las fuerzas eléctricas involucradas.



Inicialmente, la atracción desde el coloide negativo, hace que muchos de los iones positivos, denominados contra-iones, formen una firme capa adherida alrededor de la superficie del coloide. Esta capa de los iones positivos es conocida como la capa de Stern.

Adicionalmente alejándose de la superficie, los iones positivos son aún atraídos por el coloide negativo pero son repelidos por la capa de iones positivos de la capa de Stern, así como de otros iones positivos que están tratando de acercarse al coloide, dando como resultado la formación de una capa difusa de iones positivos. La capa difusa de contra-iones tiene una gran concentración de estos iones cerca del coloide que gradualmente decrece con la distancia hasta que logra un equilibrio con la concentración normal de iones positivos de la solución.

De manera similar pero opuesta, existe una ausencia de iones negativos en la vecindad de la superficie, debido a que son repelidos por el coloide negativo. Los iones negativos, que son denominados co-iones, debido a que tienen la misma carga negativa que el coloide, su concentración gradualmente se incrementará en la medida que la fuerza repulsiva sea neutralizada por los iones positivos, hasta que se logra un equilibrio de los co-iones en la solución.

Los iones adheridos en la capa de Stern y la atmósfera cargada en la capa difusa es a lo que en conjunto nos referimos como modelo de doble capa. (Potencial Zeta; Un Curso Completo en Cinco Minutos, 1997)

Mediante la adición de productos químicos que alteren las fuerzas de repulsión es posible conseguir que los coloides se aglomeren en grandes conglomerados. Estos productos son conocidos como coagulantes, en su mayoría compuestos de origen químico compuestos de iones positivos contra iones, como los cloruros o policloruros de aluminio (Al+3).

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DETERMINANTES PARA LA COAGULACIÓN

ALCALINIDAD

Los coagulantes como el sulfato de aluminio, el PACl y el sulfato férrico necesitan consumir alcalinidad para completar las reacciones de hidrólisis que permitan a los coagulantes funcionar. Si el agua a ser tratada tiene menos de 50 mg/l se tienen dos alternativas o añadir un compuesto alcalino como hidróxido de sodio, hidróxido de cal o carbonato de sodio (NaOH, Ca(OH)2 o Na2CO3) o utilizar un coagulante de alta basicidad (>50%) como el PACl o el clohidrato de aluminio ACH.

Ph

El pH del agua, determinará o eliminará también que coagulante se pueden utilizar. Si el pH es mayor que 8,5 se deberá utilizar un coagulante altamente acídico. Las sales férricas son adecuadas a las condiciones ácidas. El coagulante que se escoja será determinante en la determinación del pH del agua tratada.

TURBIEDAD

La turbiedad en aguas crudas procedentes de cuerpos naturales de agua dulce normalmente tiene su origen en la cantidad de coloides de arcillas y de partículas de silicatos en suspensión. En aguas de baja turbidez (<10 NTU) no se deben utilizar polielectrolítos orgánicos. A partir de turbiedades medias y altas (>100) se pueden considerar los polielctrolitos orgánicos y el PACl en vez de sulfato férrico o de aluminio.

SUSTANCIAS QUÍMICAS UTILIZADAS EN LA COAGULACIÓN (Varios, 2004)

Según su naturaleza, los floculantes pueden ser:

Minerales: por ejemplo la sílice activada. Se le ha considerado como el mejor floculante capaz de asociarse a las sales de aluminio. Se utiliza sobre todo en el tratamiento de agua potable.

Orgánicos: son macromoléculas de cadena larga y alto peso molecular, de origen natural o sintético.

Los floculantes minerales son los productos químicos más usados como coagulantes en el tratamiento de las aguas, como son el sulfato de aluminio, el cloruro férrico, el sulfato ferroso y férrico y el cloro sulfato férrico.

Los floculantes orgánicos de origen natural se obtienen a partir de productos naturales como alginatos (extractos de algas), almidones (extractos de granos vegetales) y derivados de la celulosa. Su eficacia es relativamente pequeña.

Los de origen sintético, son macromoléculas de cadena larga, solubles en agua, conseguidas por asociación de monómeros simples sintéticos, alguno de los cuales poseen cargas eléctricas o grupos ionizables por lo que se le denominan polielectrolitos.

Según el carácter iónico de estos grupos activos, se distinguen:

Polielectrolitos no iónicos: son poliacrilamidas de masa molecular comprendida entre 1 y 30 millones.

Polielectrolitos aniónicos: Caracterizados por tener grupos ionizados negativamente (grupos carboxílicos).

Polielectrolitos catiónicos: caracterizados por tener en sus cadenas una carga eléctrica positiva, debida a la presencia de grupos amino.

los polielectrolitos puede dividirse en tres categorías:

En la primera, los polielectrolitos actúan como coagulantes rebajando la carga de las partículas. Puesto que las partículas del agua residual están cargadas negativamente, se utilizan a tal fin los polielectrolitos catiónicos.

La segunda forma de acción de los polielectrolitos es la formación de puentes entre las partículas. El puente se forma entre las partículas que son adsorbidas por un mismo polímero, las cuales se entrelazan entre sí provocando su crecimiento.

La tercera forma de actuar se clasifica como una acción de coagulación-formación de puentes, que resulta al utilizar polielectrolitos catiónicos de alto peso molecular. Además de disminuir la carga, estos polielectrolitos formarán también puentes entre las partículas.

COAGULANTES MINERALES

SULFATO DE ALUMINIO

Puede estar en forma sólida o líquida. La sólida se presenta en placas compactas, gránulos de diversos tamaños y en polvo. Su fórmula teórica es Al2(SO4)3.18H2O. Su calidad se define usualmente por su contenido en alúmina, expresada en AlO3, es decir el 17% aproximadamente. La densidad aparente del sulfato de aluminio en polvo es del orden de 1000 kg/m3.

El contenido en alúmina Al2O3 de la forma líquida fluctúa alrededor del 8 y del 8,5% o equivalente a 630 a 650 g de Al2(SO4)3 18H2O por litro de solución acuosa.

El pH varía entre 2 y 3,8 siendo sus soluciones acuosas muy ácidas, por lo que su almacenamiento debe hacerse en un lugar seco libre de humedad. Es necesario tener en cuenta esta tendencia ácida para la preparación de la soluciones y los empaques para su distribución, por lo general, materiales de plástico.

OTROS COMPONENTES DE ALUMINIO

Se pueden también emplear otras sales de aluminio como el cloruro de aluminio (ACH)y el aluminato sódico, polihidroxido de cloruro de aluminio (PACl)

CLORURO FÉRRICO

Se presenta en forma sólida o líquida. Esta última es la más usada en e tratamiento del agua. La forma sólida es cristalina, de color pardo, delicuescente (que se disuelve con la humedad del aire) de fórmula teórica FeCl3.6H2O. Se funde fácilmente en su agua de cristalización a 34 oC, por lo que es necesaria protegerla del calor.

La fórmula líquida comercial tiene un promedio de 40% de FeCl3. Para evitar toda confusión entre los contenidos de producto puro o de producto comercia, es recomendable expresar la dosis de coagulantes en Fe equivalentes; es decir 20,5% para la fórmula sólida y 14% aproximadamente para la solución acuosa comercial. En prescencia de hierro, las soluciones acuosas de cloruro férrico, se reducen rápidamente a cloruro ferroso FeCl2. Esta recación explica su gran poder corrosivo frente el acero y la necesidad de seleccionar adecuadamente el material de los recipientes de almacenamiento, de preparación y de distribución.

SULFATO FERROSO

El sulfato ferroso usado en el tratamiento de agua es un polvo de color verde muy soluble y tiene una masa volumétrica aparente próxima a 900 kg/m3.

Su contenido en hierro es de aproximadamente 19%. Por su naturaleza ácida, el pH de una solución al 10% es de 2,8 aproximadamente. Por esta razón, para su almacenamiento y preparación se usa material plástico.

COAGULANTES SINTÉTICOS – AYUDANTES DE COAGULACIÓN

Los polielectrolitos que intensifican la acción floculante de los coagulantes metálicos (tales como la alúmina) son llamados ayudantes de coagulación o de floculación.

Son un medio para ajustar las características de sedimentación y la resistencia del flóculo. Son una excelente herramienta para compensar con problemas estacionales cuando la alúmina no es eficiente. So utilizados inclusiva para incrementar la capacidad de la planta sin tener que incrementar su tamaño.

Su uso es bastante generalizado en los países desarrollados; para ser usados, deben ser aprobados, previa evaluación, por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) a partir de datos toxicológicos confidenciales presentados por las industrias productoras.

Son polímeros aniónicos, catiónicos (de polaridad muy variable) o neutros, los cuales pueden presentar forma sólida (polvo) o líquida. Son sustancias de un alto peso molecular, de origen natural o sintético. Requieren ensayos de coagulación y floculación antes de su elección.

Los polímeros en polvo se usan bajo la forma de suspensión, que puede contener entre 2 y 10 g/L; la duración de las suspensiones es inferior a una semana. Por lo general, requieren un tiempo de contacto entre 30 y 60 minutos. Por lo general, se usan dosis pequeñas (0,1 a 1 g/L).

Para los polímeros líquidos, la distribución se hace a las mismas concentraciones, expresadas en producto seco.

La solubilidad de los polímeros es variable y su viscosidad elevada (hasta100 poises para concentraciones de 5 g/L). La masa volumétrica aparente varía de 300 a 600 kg/m3. Los polímeros generalmente ejercen acción sobre el acero no protegido.

Si un polímero contiene grupos ionizantes, se lo conoce como polielectrolito.

Los polímeros sólidos son generalmente poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada y son no iónicos. Los líquidos son generalmente soluciones catiónicas, que contienen de 10 a 60% de polímero activo.

1 . Polímeros no iónicos
(a) Óxido de polietileno (b) Poliacrilamida
( CH2 CH2 O ) CH2 CH –

C = O

NH2 n

2 . Polielectrolitos aniónicos

  1. Ácido poliacrílico




CH2 CH –

C = O

O H

n

(b) Poliacrilamida hidrolizada







CH2 CH – CH2 CH –

C = O C = O

HN2 O

m n

n

Sulfonato de poliestireno





CH – CH –

C

HC CH

HC CN

C

SO3 n

Polielectrolitos catiónicos

Cat-floc (polidialildimetilamonio)


CH2

HC CH–

H2C CH2

+

N

H3C CH3 n

(e) Imina de polietileno





CH2 – CH2 – NH2

Principales Coagulantes Primarios y Secundarios

Nombre Químico

Fórmula Química

Coagulante Primario

Coagulante Secundario

Sulfato de Auminio (Alúmina)

Al2(SO4)3 · 14 H2O

X

 

Sulfato Ferroso

FeSO4 · 7 H2O

X

 

Sulfato Férrico

Fe2(SO4)3 · 9 H2O

X

 

Cloruro Férrico

FeCl3 · 6 H2O

X

 

Polímero catiónico

varias

X

X

Hidróxido de calcio (Lime)

Ca(OH)2

X*

X

Oxido de calcio(Quicklime)

CaO

X*

X

Aluminato de sodio

Na2Al2O4

X*

X

Bentonita

Clay

 

X

Carbonato de calcio

CaCO3

 

X

Silicato de sodio

Na2SiO3

 

X

Polímero aniónico

varias

 

X

Polímero noniónico

varias

 

X

* Usados como coagulantes primarios, solamente en procesos de ablandamiento de agua

LOS COAGULANTE NATURALES

Los coagulante naturales que se extraen de la corteza de la Acacia Negra (Acacia mearnsii) son de carácter catiónico los que presentan una fuerte acción coagulante que actúa en sistemas de partículas coloidales en aguas residuales neutralizando las cargas y aglutinando (coagulando) las partículas en suspensión. Son polímeros polifenólicos de base natural, con un intenso carácter quelante, lo que les confiere un carácter extremadamente reactivo.

Debido a su carácter natural y a que no presenta metales en su estructura, no consume alcalinidad del medio, ya que no sufre hidrólisis en solución y su eficacia como coagulante es siempre óptima.

Las ventajas del uso de coagulantes derivados de la acacia frente a la de los minerales son:

  • No consume la alcalinidad del medio al no sufrir hidrólisis en solución, por lo que su eficacia como coagulante es siempre óptima.

  • No altera el pH del sistema y tiene un amplio rango efectivo de 4,5 a 9,0.

  • Reduce o elimina el uso de agentes alcalinizantes, como hidróxido sódico o cálcico.

  • Protege contra la corrosión de las partes metálicas, no incrementando la conductividad.

  • Proporciona una rápida floculación y decantación. Pudiendo actuar como coagulante o floculante, elimina o reduce en gran medida el consumo de otros floculantes.Aplicación y reutilización

  • Mejora la relación coste/beneficio respecto a otros coagulantes inorgánicos y/o sintéticos.

  • Presente en estado líquido, está listo para su aplicación, no requiriendo diluciones previas o mezclas.

  • Es un polímero de base orgánica, derivado de extractos vegetales, totalmente respetuoso con el medioambiente. No es corrosivo ni tóxico, favoreciendo los procesos biológicos.

  • Al no aportar elementos tóxicos, como el aluminio, favorece la deshidratación y posterior reutilización del fango.

Otras ventajas

  • Actúa como agente desodorante, al secuestrar derivados de sulfuros, precursores del ácido sulfhídrico.

  • Actúa como agente desodorante, formando complejos insolubles con especies orgánicas como proteínas o carbohidratos.

  • Actúa como agente quelante, acomplejando diversos metales como hierro, manganeso o aluminio.

  • Interacciona con los polisacáridos de la pared celular de las bacterias. Por ello, reduce el consumo de productos biocidas u otros tratamientos terciarios.

Inconvenientes del uso de coagulantes de base vegetal derivados de la Acacia

El único inconveniente es que no existe una dosificación específica que funcione en todo tipo de aguas residuales, por lo que hay que hacer un ensayo de Jar-test para determinar las dosis óptimas.

Ejemplos de depuración de aguas residuales con coagulantes de base vegetal derivados de la acacia



Bibliografía

Potencial Zeta; Un Curso Completo en Cinco Minutos. (1997)., (pág. 8).

Greville, A. S. (1979). How to Select a Chemical Coagulant & Flocculant. Alberta Water & Wastewater Operators Association (pág. 24). Alberta - Canada: 22th Annual Seminar March 11- 14, 1997.

Varios. (2004). Tratamiento del Agua para Consumo Humano, Manual I , Teoría Volumen I. Organización Panamericana de la Salud.

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