UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
Facultad de Ingeniería de Minas
Escuela Profesional de Ingeniería Química
TESIS
“ESTUDIO PARA LA OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO
A PARTIR DEL YACIMIENTO DE SALMUERAS BAYOVAR
-SECHURA”
Presentado por:
BACH. FRANCISCA LUCIANA RONDOY MORAN
TESIS PARA OPTAR EL TÌTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO QUÍMICO
Línea de investigación: Descriptiva – Procesos de Electrólisis
Piura, Perú
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza
incondicional.
AGRADECIMIENTO
A Dios por permitirme avanzar y cumplir este logro
profesional, a mis padres por siempre apoyarme y
motivarme a ser cada día mejor como persona y profesional.
A cada uno de los docentes de la Escuela Profesional de
Ingeniería Química por sus enseñanzas y consejos y a mi
asesor el Ing. Dante Castro Coronado por su tiempo y apoyo
para desarrollar este trabajo de tesis.
RESUMEN
Este trabajo presenta el estudio para la obtención del hidróxido de sodio a partir
de la materia prima salmuera de Bayóvar. Se realiza el análisis químico de la
materia prima determinado las impurezas presentes tales como cloruros, sulfatos,
porcentaje de potasio, porcentaje de calcio y magnesio, variables que pueden
afectar luego al proceso de conversión a realizarse.
Se describirán los tres procesos electrolíticos para la obtención de hidróxido de
sodio, detallando de las celdas de membrana, diafragma y mercurio sus
características de operación, productos obtenidos, costos y su impacto ambiental.
Finalmente, se evalúa y elige el método electrolítico de celdas de membrana para
la obtención de hidróxido de sodio a partir de la salmuera de Bayóvar siendo este
el más óptimo según los parámetros comparados.
En conclusión, el presente estudio tiene como objetivo conocer y proponer un
método electrolítico para la obtención de soda cáustica a partir de un mineral de
nuestra región de Piura dándole un valor agregado.
PALABRAS CLAVES: caracterización de la materia prima, métodos
electrolíticos y celdas de membrana.
ABSTRACT
This paper presents the study to obtain sodium hydroxide from Bayóvar brine raw
material. The chemical analysis of the raw material is carried out, determining the
impurities present such as chlorides, sulfates, percentage of potassium, percentage
of calcium and magnesium, variables that can later affect the conversion process
to be carried out.
The three electrolytic processes for obtaining sodium hydroxide will be described,
detailing the membrane, diaphragm and mercury cells their operating
characteristics, products obtained, costs and their environmental impact.
Finally, the electrolytic method of membrane cells is evaluated and chosen to
obtain sodium hydroxide from Bayóvar brine, this being the best according to the
parameters compared.
In conclusion, the present study aims to know and propose an electrolytic method
to obtain caustic soda from a mineral from our region, giving it added value.
KEY WORDS: characterization of the raw material, electrolytic methods and
membrane cells.
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPITULO I: ASPECTOS DE LA PROBLEMÁTICA ... 2
1.1. Descripción de la realidad problemática ... 2
1.2. Justificación e Importancia de la Investigación ... 3
1.3. Objetivos ... 3
1.3.1. Objetivo general ... 3
1.3.2. Objetivo específico ... 3
1.4. Delimitación de la Investigación ... 4
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO ... 5
2.1. Antecedentes de la Investigación ... 5
2.2. Bases Teóricas ... 6
2.2.1. Álcalis, hidróxidos o bases ... 6
2.2.2. Hidróxido de sodio ... 7
2.2.3. Procesos de obtención de hidróxido de sodio ... 11
2.2.4. Electrólisis... 13
2.2.5. Electrólisis de la salmuera ... 15
2.2.6. Tipos de Celdas Electrolíticas ... 18
2.3. Marco Referencial ... 23
2.3.1. Marco legal ... 23
2.3.2. Marco socio económico ... 26
CAPITULO III: MARCO METODOLÒGICO ... 30
3.1. Enfoque y Diseño ... 30
3.2. Sujetos de la Investigación ... 30
3.3. Métodos y Procedimientos ... 31
3.3.1. Métodos de análisis para la caracterización de la materia prima ... 32
3.4. Propuesta de Selección del Proceso Electrolítico ... 37
3.4.1. Comparación de Celdas electrolíticas ... 37
3.4.2. Evaluación de las alternativas de celdas electrolíticas ... 40
3.5. Descripción del Equipo del Proceso ... 42
3.5.1. Membrana ... 45
3.6. Calidad del Producto ... 47
CAPITULO IV: CONTROL DE CONTAMINANTES ... 48
4.1. Identificación de emisiones en la producción electrolítica de cloro gas (hidrógeno y álcalis) ... 48
4.1.1. Emisiones por el almacenamiento y descarga de sal ... 49
4.1.2. Emisiones del circuito de salmuera ... 49
4.1.3. Emisiones al aire. ... 49
4.1.4. Emisiones al agua ... 50
4.1.5. Desechos sólidos. ... 50
CAPÌTULO V: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 51
5.1. Resultados ... 51
5.1.1. Determinación de la densidad de la salmuera ... 51
5.1.2. Determinación de cloruros ... 51
5.1.3. Determinación de porcentaje de potasio ... 52
5.1.4. Determinación del porcentaje de Calcio ... 52
5.1.5. Determinación del porcentaje de magnesio ... 53
5.1.6. Determinación de sulfatos ... 53
5.1.7. Determinación de la conductividad eléctrica ... 54
5.2. Discusión ... 54
CONCLUSIONES ... 55
RECOMENDACIONES... 56
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 57
Índice de Tablas
Tabla
2.1.
Propiedades
físicas
del
hidróxido
de
sodio…..……….8
Tabla 2.2. Datos de solubilidad del hidróxido de sodio en g NaOH/100g
H
2O...……….9
Tabla 2.3. Especificaciones Técnicas del Hidróxido de Sodio al 99% (Escamas o
Perlas)..………..9
Tabla
3.1.
Características
del
yacimiento
de
salmueras
Bayóvar…...……….30
Tabla 3.2. Datos comparativos para los tres tipos de tecnologías utilizadas en la industria
cloro-sosa……….38
Tabla
3.3.
Ventajas
y
Desventajas
de
las
técnicas
electrolíticos……….………39
Tabla 3.4. Lista de factores para obtención de NaOH comparando las tecnologías
electrolíticas……….41
Tabla
3.5.
Ranking
de
Factores
para
obtención
de
NaOH………...41
Tabla 5.1. Resultado de la densidad………...51
Tabla 5.2. Resultados de la determinación de cloruros con la técnica de titulación con
AgNO
3……….51
Tabla 5.3. Datos para el cálculo de la determinación de potasio………..52
Tabla 5.4. Resultados de la determinación de potasio………..52
Tabla 5.5. Resultados de la determinación de calcio………53
Tabla 5.6. Resultados de la determinación de magnesio……….53
Índice de Figuras
Figura 2.1. Hidróxido de sodio sólido………...7
Figura 2.2. Elementos que intervienen en un proceso electrolítico………..14
Figura 2.3. Celda Electrolítica……….16
Figura 2.4. Diagrama de bloques de obtención de soda cáustica ……….18
Figura 2.5. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de
mercurio………...19
Figura 2.6. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de
diafragma…...………..21
Figura 2.7. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de
membrana………....23
Figura 2.8. Exportaciones FOB Según sector económico: Enero 2020 (millones de US
dólares)…...……….26
Figura 2.9. Valor CIF Importado US$...27
Figura 2.10. Comparativo CIF US$ y FOB US$...27
Figura 2.11. Principales Países de Origen………..28
Figura 2.12. Principales Importadores………28
Figura 2.13. Precio Promedio US$/Kilogramos………..29
Figura 3.1. Conductímetro digital………...36
Figura 3.2. Esquema de la Celda de Membrana………..42
Figura 3.3. Membrana de polietileno perfluorada………..44
Figura 3.4. Esquema de una membrana bicapa para la industria de cloro – álcalis ……45
Figura 3.5. Esquema de una membrana de intercambio catiónico y aniónico….……….46
Figura 4.1. Tabla de emisión de contaminantes………...……..….……….48
Figura C.1. Especificaciones para la membrana Asahi Glass Flemion 8020………….65
Figura C.2. Especificaciones para la membrana Nafion de Du Pont………..66
i
Índice de Anexos
Anexo
A.
Imágenes
de
la
etapa
de
caracterización
de
la
salmuera………...61
Anexo
B.
Instrumento
de
Análisis
…………...………..64
Anexo
C.
Requerimientos
para
las
celdas
de
Membranas………..65
Anexo D. Consumos energéticos en celdas de mercurio y celdas de
1
INTRODUCCIÓN
La soda cáustica o hidróxido de sodio es uno de los productos químicos con mayor
presencia en la actividad industrial usado y producido a nivel mundial, ya que este
compuesto es empleado en la fabricación de una gran variedad de productos como:
fabricación de jabones, rayón, papel, explosivos, pinturas y productos de petróleo también
tiene usos en el procesamiento de textiles de algodón, blanqueado y revestimientos de
óxidos, entre otras aplicaciones.
El hidróxido de sodio se obtiene por electrólisis a partir de una solución de cloruro de
sodio (salmuera), con una concentración entre el 20 y 35 % m/m, en celdas electrolíticas
obteniéndose en el cátodo (–) el Hidróxido de Sodio y en el ánodo (+) Cloro gaseoso a
través de una tecnología adecuada, existiendo tres técnicas electrolíticas como celdas de
mercurio, celdas de membrana y celdas de diafragma con parámetros establecidos para
cada una como consumo de energía, pureza de los productos e impacto ambiental.
Por la importancia y la característica de la tecnología Cloro – Soda, se plantea desarrollar
este estudio donde la materia prima a utilizar es un recurso natural de nuestra región de
Piura, ubicándose grandes extensiones de salmuera en la provincia de Sechura - Bayóvar,
es así que se debe caracterizar la salmuera y en base a ello elegir el método electrolítico
para la obtención de hidróxido de sodio, este estudio servirá como antecedente para el
desarrollo de nuevos proyectos impulsando la transformación de materias primas en
2
CAPITULO I: ASPECTOS DE LA PROBLEMÁTICA
1.1. Descripción de la realidad problemática
En la industria química existen diferentes compuestos orgánicos e inorgánicos, siendo el hidróxido de sodio una base fuerte conocido también como soda cáustica, sosa cáustica, sosa lejía, jabón de piedra o también hidrato, siendo la sexta sustancia química más importante en términos de cantidad producida y sus múltiples e importantes aplicaciones industriales tales como: fabricación de jabones, rayón, papel, explosivos, pinturas y productos de petróleo también tiene usos en el procesamiento de textiles de algodón, blanqueado y revestimientos de óxidos, entre otros.
Para la obtención de sosa cáustica existen distintos métodos, el principal es el método electrolítico.
A nivel mundial China es el mayor país productor y existen otras industrias reconocidas en otros países, Argentina un país latinoamericano de los más representativos con empresas como ATANOR S.A, PAMCOR S.A, KEGHART S.A y PETROQUIMICA RIO TERCERO S.A, que obtienen este compuesto químico de gran demanda en el mercado por sus distintas aplicaciones antes mencionadas, asimismo, en nuestro país tenemos sólo una planta destinada a la producción de sosa cáustica, QUIMPAC.
Con relación a la materia prima utilizada para la producción de sosa cáustica, en nuestra provincia de Sechura se encuentran grandes recursos minerales un ejemplo es el yacimiento de las salmueras Bayóvar, es una gran extensión de sal.
Consecuentemente existe una materia prima que no es aprovechada dándole un valor agregado, sobre esta base es necesario plantear un estudio para la obtención de soda cáustica a partir de la salmuera de Bayóvar a partir de un método electrolítico.
3
1.2. Justificación e Importancia de la Investigación
La caracterización de la materia prima que encontramos en la naturaleza sobre todo en nuestra región de Piura nos permite demostrar uno de los campos de aplicación de la ingeniería química, y proponer la transformación de la materia a través de procesos y tecnologías, es por ello, que se tiene el compromiso de investigar acerca de la obtención de productos industriales. El presente estudio se justifica porque proporciona datos como caracterización de la materia prima, planteamiento de métodos actuales utilizados para la obtención de hidróxido de sodio, sus procedimientos, especificaciones, ventajas y desventajas, impacto ambiental y así la selección del mejor método.
Los principales beneficios de esta investigación sobre la obtención de hidróxido de sodio a partir las salmueras de Bayóvar serán:
• Conocer la materia prima de nuestra región de Piura y su caracterización.
• Conocer y comparar los distintos métodos para la obtención de hidróxido de sodio.
•
Lograr la concientización sobre los grandes aportes de los procesos industriales y tecnologías, para transformar una materia en un producto de calidad y de gran demanda en el mercado por sus distintas aplicaciones.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo general
Desarrollar un estudio para la obtención de hidróxido de sodio a partir del yacimiento de salmueras Bayóvar – Sechura.
1.3.2. Objetivo específico
• Identificar y caracterizar la materia prima a nivel de laboratorio. • Describir las diferentes técnicas utilizadas para la obtención del
hidróxido de sodio.
• Proponer la selección del mejor método electrolítico de obtención de hidróxido de sodio.
4
1.4. Delimitación de la Investigación
Se realizó el proyecto a partir de la obtención y caracterización de la materia prima del yacimiento de salmueras de Bayóvar, ubicado en el distrito de Sechura departamento de Piura.
Nuestras muestras de salmueras se originan por evaporación del agua de mar en el estuario de Virrilá, que es una entrada de mar que se prolonga como un brazo hasta más de 20 km de longitud dentro del desierto, que está en terreno bajo, por lo que se llena fácilmente y va concentrándose debido al calor y viento existentes en la zona, llegando a altas concentraciones de sales solubles.
La provincia de Sechura tiene el índice de evaporación más alto del mundo, por ello cuando se presentan cambios notables en la marea, las soluciones concentradas se vuelcan en el desierto y avanzan hasta llegar al depósito de las evaporitas, así es como las salmueras concentradas han invadido una gran extensión del desierto de Sechura, de naturaleza porosa, llegando a ocupar una extensión de 70 km de largo por 15–20 km de ancho aproximadamente.
Estas salmueras se encuentran distribuidas en cuatro áreas: Ramón, que es la más importante por su volumen y concentración; Zapayal; Ñamuc, y La Depresión, estas últimas de menor concentración en sales.
5
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la Investigación
En 2017, Ángel demostró que es posible tratar las salmueras provenientes de procesos de desalación de agua de mar y obtener productos de interés comercial (gas cloro e hidróxido de sodio).
También se mencionan las tecnologías que existen para la producción de gas cloro e hidróxido de sodio a través de la electrólisis de salmuera.
En este proceso fue necesario fabricar una celda electrolítica y establecer las condiciones de operación utilizando diferentes concentraciones de salmuera y el uso de hidróxido de sodio como catalizador de la reacción.
La conclusión a la que se llegó consistió en que es favorable utilizar directamente la salmuera pretratada, puesto que se favorece la eficiencia de la formación de productos y reduce la concentración inicial de salmuera, hasta concentraciones de sal semejantes en el mar, a la obteniendo gas cloro y soluciones de hidróxido de sodio.
En 2017, León realizó un proyecto de investigación cuyo principal objetivo es determinar la densidad de corriente más homogénea y baja a utilizar en el proceso de corrosión en el proceso de electrólisis en una celda de membrana. Uno de los parámetros importantes en el diseño de celdas de membrana modernos es la distribución de densidad de corriente en las
superficies de los electrodos.
Por lo tanto, es importante modelar la distribución de densidad de corriente en una estructura realista para los ánodos y cátodos en una
celda de membrana.
Por otro lado, en el año 2013, la empresa American Potash Perú S.A. tuvo una inversión acreditada para el Proyecto Salmueras de Bayóvar de US$ 3 212 381.00.
El proyecto consiste en la explotación de soluciones de salmuera provenientes de depósitos subterráneos paras ser que mediante un proceso de evaporación solar pueda producirse cloruro de potasio (KCL), carnalita y sales industriales.
6
2.2. Bases Teóricas
2.2.1. Álcalis, hidróxidos o bases
2.1.1.1.Generalidades
Estos compuestos químicos han sido conocidos con el nombre de álcalis desde la antigüedad, fueron descubiertos durante la época de la ALQUIMIA en las cenizas de la madera y los empleaban para disolver grasas y neutralizar ácidos.
Los hidróxidos del grupo IA son muy solubles en agua, en cambio los hidróxidos de los elementos con grado de oxidación (+2) son menos solubles y los de grado de oxidación mayor son prácticamente insolubles.
(Los hidróxidos Disponible en:
http://quimicageneralpapimeunam.org.mx/nomenclatura_archivos/LOS _HIDROXIDOS.htm.)
2.1.1.2.Propiedades generales.
Son sustancias que intervienen en aquellas reacciones en las que se conseguía neutralizar la acción de los ácidos. Cuando una base se añade a una disolución ácida elimina o reduce sus propiedades características. Otras propiedades observables de las bases son las siguientes:
• Poseen un sabor amargo característico.
• Sus disoluciones acuosas conducen la corriente eléctrica. • Azulean el papel de tornasol.
• Reaccionan con los ácidos (neutralizándolos), para formar una sal más agua.
• La mayoría son irritantes para la piel. • Tienen un tacto jabonoso.
• Se pueden disolver.
• Sus átomos se rompen con facilidad.
• Son inflamables (Acidez y Basicidad Disponible en: http://www.elprisma.com/apuntes/quimica/acidezybasicidad/)
7
2.2.2. Hidróxido de sodio
Figura 2.1. Hidróxido de sodio sólido
Fuente: Comportamiento del hidróxido de sodio y potasio en función de la humedad y temperatura ambiental (Enríquez, 2013)
2.2.2.1.Descripción.
El hidróxido de sodio de formula química NaOH a temperatura ambiente es un sólido cristalino, blanco, inoloro y que absorbe rápidamente dióxido de carbono y humedad del aire, causa daños quemando la piel, de donde proviene el nombre de sosa cáustica con que generalmente se conoce en la industria.
Cuando se disuelve en agua o cuando se neutraliza con algún ácido libera gran cantidad de calor, el cual puede ser suficiente para hacer que el material combustible en contacto con el hidróxido haga ignición. Se usa generalmente como solución del 50% en peso o como sólido que se comercializa como perlas, hojuelas o escamas. La soda cáustica es una base fuerte altamente reactiva que ataca metales (zinc, aluminio, cobre, plomo) y aleaciones (bronce, latón).
Puede formar compuestos explosivos como el dicloroacetileno, por reacción con cloroetilenos. El hidróxido de sodio anhidro reacciona lentamente con muchas sustancias, sin embargo, la velocidad de reacción aumenta en gran medida con incrementos de temperatura.
En presencia de la humedad del ambiente, el hidróxido de sodio reacciona con el dióxido de carbono para generar carbonato de sodio. Reacciona con el monóxido de carbono bajo presión de 7- 8 atm y temperaturas entre 200 – 250°C para dar formiato de sodio, también en presencia de humedad.
8 La hidratación paulatina del hidróxido de sodio genera seis diferentes hidratos: NaOH.1H2O, NaOH. 2H2O, NaOH.31/2H2O, NaOH.4H2O, NaOH.5 H2O,
NaOH.7 H2O. La gran afinidad del hidróxido de sodio por el agua causa una
reducción en la presión de vapor del agua y por tal razón es un muy buen agente secante (Enríquez, 2013).
2.2.2.2.Propiedades
Tabla 2.1. Propiedades físicas del hidróxido de sodio
PROPIEDAD VALOR
Fórmula química NaOH
Estado físico Sólido blanco
Peso molecular 40,0 g/mol
Punto de ebullición (°C) (760mmHg) 1390; puro
105; solución acuosa al 6% 120; solución acuosa al 34% 150; solución acuosa al 55%
Punto de fusión (°C) 318; puro
Presión de vapor (mmHg) 0; puro o anhidro
Gravedad específica (Agua = 1) 2.13; puro
1.219; 20% solución acuosa 1.430; 40% solución acuosa 1.525; 50% solución acuosa
Densidad de vapor (Aire = 1) No aplica
pH 14; solución 5%
Límite de inflamabilidad (%) No aplica
Punto de auto inflamación No aplica
Solubilidad en agua (g/ml) 1.11
Fuente: Elaborado con información de Hawkins et al. (1969) y Enríquez (2013)
9
Tabla 2.2. Datos de solubilidad del hidróxido de sodio en g NaOH/100g H2O
Fórmula Fase sólida 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 90°C 100°C NaOH 4 H2O 42 NaOH 31/2H2O 51.5 NaOH 1 H2O 109 119 129 145 174 NaOH 313 347
Fuente: Manual del Ingeniero Químico (Perry, 2001)
2.2.2.3.Especificaciones técnicas
Tabla 2.3. Especificaciones Técnicas del Hidróxido de Sodio al 99% (Escamas o Perlas)
CARACTERÍSTICAS ESPECIFICACIÓN
Alcalinidad Total 76 %min. como Na2O
Hidróxido de sodio 98 %min. como NaOH
Carbonato de sodio 1.00 %máx. como NaCO3
Cloruros 0.075 %máx. como NaCl
0.05 %máx. como Na2 SO4
Cloratos Exento %máx. como NaClO3
Hierro total 15 ppm máx. como Fe
Arsénico Exenta ppm máx. como As
Fuente: Datos técnicos del NaOH (Enríquez, 2013)
2.2.2.4.Incompatibilidades
Es incompatible con ácidos y compuestos halogenados orgánicos como el tricloroetileno. La reacción con nitrometano u otros compuestos nitro similar produce sales sensibles al impacto. El contacto con metales como aluminio, magnesio, estaño o zinc puede liberar gas hidrógeno (inflamable). Reacciona rápidamente con azúcares para producir monóxido de carbono. Reacciona con materiales inflamables. (Organización Internacional del Trabajo [OIT], 2000)
10
2.2.2.5. Aplicaciones
La sosa cáustica es uno de los productos químicos con mayor presencia en la actividad industrial, su empleo es de gran importancia en la industria mundial ya que se encuentra en el Rankine de los 10 productos más comercializados del mundo y se extiende en los siguientes mercados:
• Química Orgánica e Inorgánica: Fabricación de compuestos de sodio que pueden, a su vez, ser intermedios (como el Fenolato Sódico) en la preparación de aspirina o producto final como el hipoclorito de sodio, importante blanqueador y desinfectante base de lejías.
• Industria Textil: Operaciones de acabado y apresto como el mercerizado, en el que mejore el brillo y la absorción de tintes, la limpieza removiendo ceras y pectinas, y el blanqueado con un agente oxidante.
• Detergentes y Tensioactivos: La sosa interviene en la hidrólisis de grasas y aceites vegetales y animales, para producir los detergentes, así como en la fabricación de los polvos, intervienen además otros compuestos de sodio en el que también está presente la sosa.
• Producción de Gas y Petróleo: La sosa se emplea en perforación para controlar el pH de los lodos, y también como bactericida. En el refino del petróleo, se emplea para extraer azufre, compuestos de azufre y ácidos. • Producción de Aluminio: Extracción de la alúmina de la bauxita, mineral
base.
• Industria de la Celulosa y el Papel: La sosa actúa sobre la pulpa para producir celulosa. En la industria papelera, blanquea la materia prima reciclada.
• Industria del Rayón: Disolución de la lignina de la pulpa.
• Industria Alimenticia: Refino de aceites animales y vegetales, limpieza de botellas y equipos de fabricación de cervezas y pelado de papas, frutas y vegetales.
• Tratamiento de Agua: Control del pH y regeneración de resinas iónicas. • Industria Agrícola: Tratamiento de la paja para mejorar su valor nutritivo
y digestibilidad. Limpieza de equipos lácteos.
• Otros Usos: Decapado de pinturas, agente extractor en secado, en el esmaltado e incluso en desengrase y limpieza de metales.
(Usos sosa cáustica Disponible en:
11
2.2.3. Procesos de obtención de hidróxido de sodio
El hidróxido de sodio, que se conoce comúnmente como soda cáustica, se produce comercialmente por dos métodos básicos: proceso químico (caustificación) y modernamente por métodos electrolíticos.
2.2.3.1.Tratando carbonato de sodio con cal apagada.
La soda cáustica de proceso químico se produce mediante la reacción de carbonato de sodio (Na2CO3) con hidróxido de calcio [Ca (OH)2] para formar
hidróxido de sodio (NaOH) y carbonato de calcio (CaCO3). La conocida
reacción de caustificación:
Na2CO3 (ac) + Ca (OH)2 (ac) → CaCO3(s)+ 2NaOH(ac)
Se prepara por filtración de carbonato de calcio, precipitado; y el líquido que pasa se evapora hasta sequedad.
Las plantas de caustificación funcionan en operación continua o intermitente.
a) Proceso Intermitente:
Se disuelve una partida de carbonato sódico en un tanque, con agua de condensación u otra agua de retorno, hasta obtener una solución aproximadamente de densidad 1.13, que se calienta hasta 85-91°C y se agita mientras se añade cal. Por lo común, varios de estos tanques funcionan alternadamente; esto es mientras se está cargando uno, otro está siendo agitado y calentado, en un tercer tanque se está efectuando la sedimentación y del cuarto se está sacando el líquido claro. Se continúa con la agitación por unas horas y luego se deja sedimentar la solución. El líquido claro se extrae por aspiración y se pone en tanques de almacenamiento donde poco a poco se asientan las últimas partículas de cal. El sedimento de cal se lava primero con aguas de lavado de partidas anteriores y después con agua. En los líquidos de lavado que tienen mayor concentración de álcali, se disuelve el carbonato sódico y se apaga la cal.
El lavado final se hace con agua limpia para que el sedimento de cal tenga muy bajo valor de álcali y se arrastra a una balsa de desechos o bien se convierte en una papilla para calcinarla. (Kirk- Othmer, 1963).
b
) Caustificación Continua:
Las operaciones continuas son más apropiadas para fábricas grandes y la primera operación que aquí se escribirá es la filtración doble. El carbonato sódico seco procedente de un tanque de pesada u otra clase de depósito se introduce con velocidad regulada exactamente en tanques de disolución, agitados y se van agregando, medidas con contador de agua. En apagadores
12 giratorios se prepara simultáneamente lechada de cal, con cal que se trae directamente y aguas de lavado débiles. Las corrientes de lechada de cal y de carbonato entran simultáneamente en un tanque de reacción o caustificador. De los caustificadores que por lo general se agitan violentamente y se calientan hasta cerca de 100°C, toda la suspensión pasa a calderas que sirven de caustificadores secundarios y decantadores preliminares.
Mediante una bomba de diafragma regulada, se introduce la suspensión en el primero de dos filtros giratorios en serie. La torta del primer filtro se lava continuamente con el filtrado del segundo; el filtrado del primero, junto con el líquido que rebosa de los caustificadores secundarios, se distribuye directamente en una serie de sedimentadores finales y luego en depósitos de aguas débiles. Periódicamente se pasan al ciclo de filtración una parte de la pequeña suspensión residual de carbonato cálcico que se asienta en los clarificadores finales y la mínima porción que se recoge en los depósitos. La torta que se avienta del primer filtro se vuelve a convertir en pulpa inmediatamente por la cuchilla raedera, empleando para ello solución diluida de carbonato sódico, que generalmente es el filtrado de la siguiente o segunda operación de filtro. La torta del primer filtro reconvertida en pulpa se digiere por algún tiempo en los tanques de almacenamiento de lodos, situados entre los filtros, luego se introduce en el segundo filtro, donde se lava con agua limpia caliente que viene de un vertedero continuo, para reducir el valor del álcali del carbonato sódico no digerido y del álcali sobrante. La torta del segundo filtro se convierte en pulpa y luego se envía a la balsa de desechos para calcinarla. La operación continua es el lavado en contracorriente. Del caustificador secundario antes descrito, que en las plantas de lavado en contracorriente se suele denominar decantador primario, la suspensión se distribuye en una serie de vasos de decantación por los que fluye en dirección contraria a una corriente relativamente pequeña de agua. El líquido de rebose del caustificador secundario, al igual que en el procedimiento anterior, alimenta los evaporadores. Pasa por los sedimentadores primario y secundario y últimamente por una combinación de tanques de sedimentación y almacenamiento antes de ser introducidos en los evaporadores. El lavado en contracorriente se hace en un lavador de bateas o en una serie de tanques decantadores. La papilla fluida de lodo de carbonato cálcico en solución de 10.5% de NaOH se introduce en el primer tanque junto con el líquido de rebose casi claro del siguiente tanque de la serie. La agitación es muy moderada y consiste en la acción del rastrillo que concentra el lodo hacia el centro de cada
13 tanque, de donde se extrae con bombas de diafragma y se introduce en el siguiente tanque. Cada tanque de la serie funciona de igual modo. La corriente final de lodo que sale del último tanque de esta serie se bombea directamente a la balsa de desechos o bien a los tanques de almacenamiento de papilla para los hornos de recalcinación. (Kirk- Othmer, 1963).
2.2.3.2.Electrólisis Cloro-Álcali.
El proceso de la electrólisis de salmuera para producir soda cáustica, cloro e hidrógeno se llama proceso de electrólisis (cloro-álcali). Este se clasifica en la membrana, el diafragma y los procesos de mercurio. A partir de octubre de 1999, todas las plantas de cloro-álcali japoneses usan el proceso de membrana y aproximadamente el 13% de soda cáustica electrolíticamente producida en América del Norte se produce en este proceso (Gourbe, 2017).
2.2.4. Electrólisis
2.2.4.1. Reseña histórica de la electrólisis
Con la invención de la pila eléctrica en 1800 por el físico Italiano Alessandro Volta, se impulsó inmediatamente el estudio de los efectos químicos de la corriente eléctrica en diferentes ámbitos. Por ejemplo, los ingleses William Nicholson y Anthony Carlisle descubrieron el fenómeno de descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, mientras estudiaban el funcionamiento de la pila de Volta. Entre 1806 y 1808 el científico británico Humphry Davy interesado por el estudio de la pila eléctrica, logró descubrir el proceso de la electrolisis y separó elementos como el magnesio, bario, estroncio, calcio, sodio, potasio y boro. Sus descubrimientos lo llevaron a estudiar las fuerzas envueltas en la separación de los elementos, dando paso al desarrollo de un nuevo campo de estudio conocido como electroquímica. En 1833, Michael Faraday logra demostrar matemáticamente las leyes de la electrólisis que llevan su nombre (Melgar y Barranco, 2016).
2.2.4.2.Definición de electrolisis
Conceptualmente, la electrólisis consiste en la descomposición de una sustancia iónica (electrolito) en elementos más simples, utilizando un conjunto llamado celda electrolítica. Se trata de un proceso químico no espontáneo donde se utiliza energía eléctrica para que suceda una reacción llamada reacción electroquímica. La celda electrolítica consta de dos elementos importantes: el electrolito y el par de electrodos. Cuando se aplica un voltaje externo entre el
14 par de electrodos, los iones libres del electrolito, con carga opuesta, son atraídos al ánodo y cátodo provocando estados de oxidación y reducción, respectivamente. (Melgar y Barranco, 2016)
Figura 2.2. Elementos que intervienen en un proceso electrolítico
Fuente: Principios de electrodeposición (Diaz del Castillo, 2008)
2.2.4.3.Aspectos Cuantitativos de la Electrolisis
Leyes de Faraday
El tratamiento cuantitativo de la electrólisis fue desarrollado principalmente por Faraday, quien observó que la masa de producto formado o de reactivo consumido en un electrodo, era proporcional a la cantidad de electricidad transferida al electrodo y a la masa molar de la sustancia en cuestión. La cantidad de carga que pasa a través de un circuito eléctrico, como el de una celda electrolítica, se mide en coulomb.
La carga de 1 mol de electrones es de 96.485 C (1 F). 𝐪 = 𝐢. 𝐭
Los resultados obtenidos por Faraday se pueden enunciar en las siguientes dos leyes de la electrólisis.
a) La cantidad de sustancia depositada o disuelta durante una electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado.
m q
b) Las cantidades de sustancias diferentes que se depositan o disuelven por el paso de la misma cantidad de corriente, son proporcionales a sus equivalentes gramos.
15
m eqg
Combinando las dos leyes, la masa en gramos depositada o disuelta en un electrodo es:
𝐦 = 𝐢. 𝐭. 𝐞𝐪𝐠 𝐅
𝟏
𝐅= 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭𝐞 𝐝𝐞 𝐩𝐫𝐨𝐩𝐨𝐫𝐜𝐢𝐨𝐧𝐚𝐥𝐢𝐝𝐚𝐝 El valor actual de F es 96.485,309 C/mol (para los cálculos se toma 96.485 C/mol).
Equivalente electroquímico (ξ): representa la masa de sustancia depositada o liberada en un electrodo, durante una electrólisis cuando pasa 1 Coulomb de electricidad. 96.485 C……… 1eqg 1 C………
𝛆 =
𝟏𝐞𝐪𝐠.𝟏𝐂 𝟗𝟔.𝟒𝟖𝟓𝐂→ 𝛆 =
𝟏 𝐅Por lo tanto, la expresión matemática de las leyes de Faraday se puede escribir:
m = i x t𝒙 𝛆
Equivalente gramo para reacciones redox: es la masa de dicha sustancia que gana libera 1 mol de electrones. (Brown et al., 1998).
2.2.5. Electrólisis de la salmuera
Como se definió antes la electrólisis es el proceso por el que se produce
una reacción química en un electrodo imponiendo un voltaje. Estas
reacciones se llevan a cabo en celdas electrolíticas; en estas celdas se
aplica una corriente eléctrica externa para que se lleven a cabo
reacciones químicas no espontáneas (electrólisis).
Esta celda está constituida por un recipiente, un electrolito y dos
electrodos conectados a una fuente de corriente continua, los cuales son
inertes a la reacción química. A estas últimas pertenece la celda de
Downs, la cual se emplea para la electrólisis de 𝑁𝑎𝐶𝑙. Ésta contiene un
par de electrodos conectados a una batería, la cual transporta los
electrones hacia el cátodo, donde se efectúa la reducción y los retira del
16
ánodo, donde se realiza la oxidación (Chang, 2011).
Figura 2.3. Celda Electrolítica
Fuente: Nakhleh Research Group (2004)
Las reacciones químicas de la electrólisis suceden como se presenta a continuación. Al combinar agua y sal común se produce una reacción física donde los cristales de la sal se rompen para formar iones de sodio (Na+) y cloro (Cl-) acuosos por separados (Morris, 2006)
NaCl → Na+ + Cl−
En una celda electrolítica de cloruro de sodio disuelto, se llevan a cabo las siguientes reacciones (Reyes, 2003):
En el cátodo: 2 H2O + 2e− ↔ H 2(g)+ 2 OH − E0= -0.828 V En el ánodo: 2Cl− ↔ Cl 2+ 2 e− E0= 1.360 V 2 H2O ↔ 4 H+ + O 2+ 4 e− E0= 1.229 V
Las celdas de electrólisis para la producción de cloro y sosa requieren que las salmueras con las que se alimenta el proceso tengan una concentración próxima a la saturación (300 g/L) (Bonet, 2010).
Sin embargo, el residuo salino de los procesos de desalinización presenta una concentración de NaCl menor, que depende de la concentración inicial de cloruro de sodio y la eficiencia del proceso de ósmosis inversa, de modo que puede ser necesario concentrar y purificar estas salmueras si se desea utilizarlas como materia prima en el proceso de electrólisis. (Benito, 2012).
17 A nivel industrial, existen tres tecnologías principales para la producción de cloro gas, que difieren en el tipo de celda empleada:
a) Celdas de mercurio b) Celdas de diafragma c) Celdas de membrana.
En general, en las tres tecnologías se lleva a cabo la misma reacción, sin embargo, tienen diferencias principalmente en los materiales necesarios para su construcción y los requerimientos de iniciales de la concentración de salmuera y su pureza. En las celdas de mercurio no existe una separación física entre el ánodo y el cátodo, al contrario de las de diafragma y las de membrana (Melián-Martel et al., 2011). Principalmente en las celdas de diafragma y membrana es necesario un proceso de purificación de la salmuera para la remoción de metales alcalinotérreos (𝐶𝑎 2+, 𝑀𝑔 2+ o 𝐹𝑒 3+) que contiene, para evitar su precipitación en el transcurso de la electrólisis, lo que disminuye la eficacia de la corriente y la vida de los electrodos, diafragmas y membranas. Estos iones se separan por precipitación, en forma de carbonato o hidróxidos. Una vez purificada la salmuera, ésta se vuelve a saturar para ello utilizando una sal que no tenga los iones arriba mencionados (Ochoa, 1996).
En la celda de diafragma resulta una solución de entre 9% y 12% de NaOH y 18% de NaCl; la solución pasa a concentración por evaporación, donde también se purifica por procedimientos de cristalización fraccionada. La celda de mercurio genera directamente la solución de 50% de concentración; el mercurio se retira por centrifugación y posterior cristalización o por paso a través de un sistema de filtración (cartuchos o platos). Finalmente, en la celda de membrana, en la que se evita la mezcla de electrolitos por la presencia de la membrana, se obtiene una solución de 28% a 35% de NaOH que se concentra luego hasta 50% por acción de evaporadores de película descendente.
La solución final que se genera por este procedimiento es muy pura. DIPHOTERINE/LIBROS/Dossier_Sosa_ES_BD.pdf., s.f Disponible en http://www.cicamed.com.mx/images/documentos_diphoterine/ htm. [ accesado el 30 de julio del 2019]
18
Figura 2.4. Diagrama de bloques de obtención de soda cáustica
Fuente: Enciclopedia de la Tecnología Química. (Kirk-Othmer, 2002).
2.2.6. Tipos de Celdas Electrolíticas
2.2.6.1.Celdas de Mercurio
La electrólisis con celdas de amalgama de mercurio fue el primer método empleado para producir soda - cloro a escala industrial. Se emplea un cátodo de mercurio y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de platino. El cátodo está depositado en el fondo de la celda de electrólisis y el ánodo sobre éste, a poca distancia.
La celda se alimenta con cloruro de sodio y, con la diferencia de potencial adecuada, se produce la electrólisis.
Ánodo: 2 Cl− → Cl
2+ 2e−
Cátodo: Na++ 1e−+ Hg → Na(Hg)
A continuación, se procede a la descomposición de la amalgama de sodio (0,5% en peso de sodio) formada para recuperar el mercurio. La base sobre la que está la amalgama está ligeramente inclinada y de esta forma va saliendo de la celda de electrólisis y se pasa a un descomponedor relleno con grafito en donde se añade agua a contracorriente, produciéndose la reacción:
2 Na (Hg) + 2H2O → 2Hg + 2NaOH +H2
Al pasar por el descomponedor, se recupera el mercurio para su reutilización en el circuito. Regulando la cantidad de agua que alimenta el reactor es posible obtener directamente la sosa a su concentración de comercialización, 50% en peso. (0choa, 1996)
Sus condiciones generales son:
• Método de purificación de la salmuera: eliminación de los metales alcalinotérreos por precipitación en forma de hidróxidos por adición de hidróxido sódico, sosa cáustica.
19 • Concentración de salmuera de entrada a 25% en peso.
• Temperatura de electrólisis 60 °C. En algunos casos, la salmuera se calienta usando el calor liberado en el reactor.
• La salmuera se acidifica para evitar la descomposición del cloro a hipoclorito sódico.
• Concentración de la salmuera de salida: 19% en peso.
• Concentración de la disolución acuosa de NaOH obtenida: 50% en peso.
• El mercurio del reactor se recicla a la celda
Las características generales del sistema electroquímico son:
• Celdas con el fondo de acero ligeramente inclinado para que el mercurio se desplace a lo largo de su longitud.
• DSAs (Ánodo Dimensionalmente Estable) expandidos depositados sobre titanio de 30 × 30 cm como ánodos.
• Cada celda está dotada de 250 ánodos.
• Densidad de corriente entre 8.000 y 14.000 A · m-2.
• Voltaje de celda 4,4 voltios. (Solvay, 2005)
Figura 2.5. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de mercurio.
Fuente: Chlorine information, chlorine production and chlor alkali info, chlorinated solvents, chlorine production processes. (Euro Chlor, 2017)
20 Usualmente, en una planta industrial se conectan en serie hasta 100 celdas como la descrita de tal forma que la corriente total está comprendida entre 180 y 315 kA, con un voltaje total de 480 V y una potencia requerida de 80 -160 MW. El principal problema de esta celda está relacionado con las implicaciones ambientales del mercurio, este hecho junto con la mayor eficiencia energética de las celdas de membrana está favoreciendo la sustitución de las celdas de mercurio por estas últimas (Mantell y Costa López, 2003).
2.2.6.2.Método de Celdas de diafragma
Este método se emplea principalmente en Canadá y Estados Unidos. Se alimenta el sistema continuamente con salmuera que circula desde el ánodo hasta el cátodo. Las reacciones que se producen son las siguientes:
Ánodo: 2 Cl− → Cl
2+ 2e−
Cátodo: 2H2O + 2e− → H2+ 2OH−
En el cátodo la reducción del agua produce hidrógeno e iones hidroxilo que junto con los iones sodio contenidos en la salmuera dan lugar a la sosa cáustica. Ya que el diafragma no es una barrera selectiva, el hidróxido de sodio se encuentra contaminado con NaCl (del 1 al 50% en la sosa), y la concentración máxima de NaOH es del 12%, ya que un aumento de su concentración provocaría la formación de 𝑂2 en el ánodo, contaminando el cloro gas producido
21
Figura 2.6. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de diafragma.
Fuente: Chlorine information, chlorine production and chlor alkali info, chlorinated solvents, chlorine production processes. (Euro Chlor, 2017)
El ánodo es un DSA mientras que el cátodo es una tela metálica de acero inoxidable recubierta con ciertos catalizadores como níquel expandido para minimizar el sobrevoltaje de desprendimiento de hidrógeno. Los inconvenientes de este tipo de celdas están relacionados con el uso de un diafragma de amianto:
• No es una barrera selectiva de iones. Con el ión sodio, migra el ión cloruro hacia el catolito. Por tanto, la sosa cáustica está contaminada con cloruro sódico (1% al 50% en la sosa) lo que la inutiliza para muchas aplicaciones (aumenta la corrosión de los metales en contacto con la sosa).
• La concentración máxima de sosa obtenible en el cátodo es de 12% en peso para evitar su migración al anolito lo que originaría una pérdida de la eficacia de la corriente tanto respecto a la sosa como al cloro. Su presencia en el anolito favorecería la oxidación del agua a oxígeno que
22 contaminaría al cloro. Asimismo, la gasificación del anolito daría lugar una pérdida de cloro por formación de hipoclorito sódico.
• La limitación de la concentración de sosa al 12% en peso exige eliminar por evaporación aproximadamente el 80% del agua para obtener la concentración de comercialización, 50% en peso. Esta etapa incrementa mucho el consumo específico de energía del proceso global.
• La resistencia eléctrica del diafragma es alta lo que obliga a trabajar a densidades de corriente de 1.500 - 2.000 A · m-2, pues valores superiores
son económicamente inaceptables.
• El amianto es un material cancerígeno. (Ochoa, 1996)
2.2.6.3.Método de Celdas de Membrana
En este tipo de celdas el compartimento del ánodo y cátodo se encuentra separado por una membrana perfluorada que es selectiva al paso de cationes; el ánodo es alimentado por la salmuera a una concentración de 25% en peso (318 g/L) y el cátodo contiene una solución de sosa diluida independiente de la salmuera. La membrana permite el flujo de los iones sodio del ánodo al cátodo, más no su retorno, lo que permite obtener una solución de NaOH libre de iones cloro. Se utiliza el mismo tipo de electrodos que en las celdas de diafragma y las reacciones redox son las mismas (Gourbe, 2007).
23
Fi
gura 2.7. Esquema del proceso de fabricación de cloro y sosa utilizando celdas de membrana.Fuente: Chlorine information, chlorine production and chlor alkali info, chlorinated solvents, chlorine production processes. (Euro Chlor, 2017)
Debido a que la membrana es selectiva a cationes, la salmuera debe estar libre de calcio y magnesio, ya que al entrar al compartimento del cátodo reaccionan con el hidróxido, formando un precipitado que se deposita sobre el cátodo y la membrana, disminuyendo la vida útil de ésta y el rendimiento de la reacción. El principal inconveniente de las celdas de membrana es que la salmuera debe tener una dureza carbonatada prácticamente nula (Ochoa Gómez, 1996).
2.3. Marco Referencial
2.3.1. Marco legal
2.3.1.1.
Ley 23407, Ley General de Industrias
Son objetivos fundamentales de esta Ley:
a) Promover la generación y el incremento de la riqueza sobre la base del trabajo, la inversión, la producción y la productividad en la industria manufacturera.
b) Estimular la productividad del trabajo y del capital y la plena utilización de estos recursos, aprovechando las ventajas comparativas
24 c) Garantizar la competencia en la producción y venta de manufacturas, el respeto de las normas técnicas establecidas y una rigurosa defensa del consumidor.
d) Proteger la industria nacional de la competencia externa limitando la importación de bienes similares que compitan deslealmente con ellas. e) Promover la creación y ampliación de la infraestructura necesaria para la
instalación de empresas industriales preferentemente para las descentralizadas y de zonas de frontera y selva, así como la plena utilización de la existente.
f) Orientar la adecuación de la industria a las necesidades de la defensa nacional.
g) Promover el proceso de articulación interindustrial, así como entre la industria y los demás sectores de la economía en especial la agricultura, la pesquería y la minería, a fin de lograr un desarrollo industrial integrado. h) Promover la industrialización de los recursos naturales del país, en
armonía con el interés nacional.
i) Promover el crecimiento del empleo en la actividad industrial j) Promover la descentralización de la actividad industrial. k) Promover la exportación de productos industriales nacionales.
l) Estimular preferentemente el desarrollo de la pequeña industria y la actividad artesanal.
m) Promover la generación transferencia y difusión de la tecnología apropiada para el desarrollo y mayor eficiencia de la actividad industrial. n) Promover la permanente capacitación técnica del trabajador
manufacturero.
o) Fortalecer las relaciones del trabajo y el capital de actividad industrial. p) Garantizar la estabilidad jurídica de la empresa.
q) Orientar el desarrollo industrial hacia una efectiva integración, principalmente en el Grupo Andino y a nivel de América Latina. Ley General de Industrias 23407 (s.f.)
2.3.1.2.
Ley 28245, Ley Marco del Sistema Nacional de Gestión Ambiental y su
reglamento, aprobado por Decreto Supremo N° 008 - 2005 – PCM.
La presente Ley tiene por objeto asegurar el más eficaz cumplimiento de los objetivos ambientales de las entidades públicas; fortalecer los mecanismos de transectorialidad en la gestión ambiental, el rol que le corresponde al Consejo Nacional del Ambiente - CONAM, y a las entidades sectoriales, regionales y locales en el ejercicio de sus
25 atribuciones ambientales a fin de garantizar que cumplan con sus funciones y de asegurar que se evite en el ejercicio de ellas superposiciones, omisiones, duplicidad, vacíos o conflictos. (MINISTERIO DEL AMBIENTE [MINAM], s.f.)
2.3.1.3.
Ley 28611, Ley General del Ambiente
La presente Ley es la norma ordenadora del marco normativo legal para la gestión ambiental en el Perú. Establece los principios y normas básicas para asegurar el efectivo ejercicio del derecho a un ambiente saludable, equilibrado y adecuado para el pleno desarrollo de la vida, así como el cumplimiento del deber de contribuir a una efectiva gestión ambiental y de proteger el ambiente, así como sus componentes, con el objetivo de mejorar la calidad de vida de la población y lograr el desarrollo sostenible del país. MINAM (2013).
2.3.1.4.
Decreto Supremo N° 002 – 2019 – MINAM, Reglamento de
Transparencia, Acceso a la Información Publica Ambiental y
Participación y Consulta Ciudadana en Asuntos Ambientales.
El presente reglamento tiene por finalidad establecer las disposiciones sobre acceso a la información pública con contenido ambiental, para facilitar el acceso ciudadano a la misma. Asimismo, tiene por finalidad regular los mecanismos y procesos de participación y consulta ciudadana en los temas de contenido ambiental. MINAM (2013). Se aprueba reglamento transparencia acceso información pública ambiental. (Disponible en: https://sinia.minam.gob.pe/normas/)
2.3.1.5.
Decreto Supremo N° 061 – 2015 – RE, que ratificó el convenio de
Minamata sobre el mercurio.
Mediante el presente Decreto Supremo se ratificó el “Convenio de Minamata sobre el Mercurio”, adoptado en la ciudad de Kumamoto, Japón, en la Conferencia de Plenipotenciarios de la Convención sobre el Mercurio, aprobado por Resolución Legislativa 30352, del 27 de octubre de 2015.
Que el objeto del citado Convenio es proteger la salud humana y el ambiente de las emisiones y liberaciones antropógenas de mercurio y compuestos de mercurio. MINAM (s.f.)
26
2.3.1.6.
Ley N° 28305, Ley De Control De Insumos Químicos Y Productos
Fiscalizados
El objetivo de esta ley es establecer las medidas de control y fiscalización de los insumos químicos y productos que, directa o indirectamente. El control y la fiscalización de los insumos químicos y productos fiscalizados será desde su producción o ingreso al país hasta su destino final, comprendiendo las actividades de importación, producción, fabricación, preparación, envasado, re envasado, exportación, comercialización, transporte, almacenamiento, distribución, transformación, utilización o prestación de servicios.
2.3.2. Marco socio económico
Mercado internacional.
Según la data del Informe Técnico del INEI denominado “Evolución de las Exportaciones e Importaciones”, la exportación para el sector químico en el mes de enero del 2020 aumentó en 3,3% respecto a enero del 2019.
Figura 2.8. Exportaciones FOB Según sector económico: Enero 2020 (millones de US dólares)
Fuente: https://www.inei.gob.pe/media/MenuRecursivo/boletines/01-informe-tecnico-exportaciones-enero-2020.PDF
27 Respecto al hidróxido de sodio en nuestro país el monto de las importaciones es US$: 56,882,881 y de las exportaciones US$: 26,533,786 en los últimos 5 años hasta el 2018.
Figura 2.9. Valor CIF Importado US$
Fuente:
https://www.veritradecorp.com/es/brasil/importaciones-y-
exportaciones/hidr%C3%B3xido-de-sodio-sosa-o-soda-c%C3%A1ustica-s%C3%B3lido/281511
Figura 2.10. Comparativo CIF US$ y FOB US$
Fuente: https://www.veritradecorp.com/es/brasil/importaciones-y-
28
Figura 2.11. Principales Países de Origen
Fuente: https://www.veritradecorp.com/es/brasil/importaciones-y-
exportaciones/hidr%C3%B3xido-de-sodio-sosa-o-soda-c%C3%A1ustica-s%C3%B3lido/281511
Figura 2.12. Principales Importadores
Fuente: https://www.veritradecorp.com/es/brasil/importaciones-y-
29
Figura 2.13. Precio Promedio US$/Kilogramos
Fuente: https://www.veritradecorp.com/es/brasil/importaciones-y-
exportaciones/hidr%C3%B3xido-de-sodio-sosa-o-soda-c%C3%A1ustica-s%C3%B3lido/281511
Mercado Nacional:
Se realizó un estudio del macro y microentorno, donde se observó una importante oportunidad de negocio, en la sustancia química, soda cáustica, ya que se tiene conocimiento que son pocas las empresas a nivel Latino América que fabrican esta sustancia.
Por otro lado, en el Perú, la empresa Quimpac, es la única que produce esta sustancia, quienes se encuentran posicionados, como líderes en el mercado nacional, ya que destinan aproximadamente el 55 % de sus ventas al exterior y el 45% de sus ventas a nivel nacional, las cuales están destinadas a mineras. Sin embargo, no logran atender la demanda del local. Por lo que actualmente, hay un importante crecimiento en las importaciones de soda cáustica en el Perú, por parte de comercializadoras, mismos que distribuyen el 55% de dicha soda cáustica a papeleras. Asimismo, se sabe que en Lima concentra el 61% de empresas papeleras con 5973 empresas. Por otro lado, las textilerías consumen el 35% de las importaciones de soda cáustica. Se conoce, que Lima concentra aproximadamente un 80% de textilerías, las cuales equivalen a 94,467 (Gamero y Rondinelli, 2018).
30
CAPITULO III: MARCO METODOLÒGICO
3.1. Enfoque y Diseño
Este estudio tiene un diseño cualitativo y está dividido en dos etapas, la primera etapa es el muestreo de la materia prima y realizar los análisis químicos para su caracterización a nivel laboratorio y la segunda etapa es de nivel descriptivo correlacional donde se estudiaron, describieron y compararon los distintos métodos para la producción de sosa cáustica a partir de esta materia prima (salmuera) donde se propuso y seleccionó el método de conversión.
3.2. Sujetos de la Investigación
Este trabajo se basó en el muestreo y análisis de la materia prima salmuera, solución con alta concentración de cloruro de sodio (NaCl), utilizada en procesos electrolíticos para obtener productos químicos de gran valor industrial como la sosa cáustica.
La estimación de las reservas de salmuera de Bayóvar está basada en trabajos exploratorios realizados entre 1961 y 1965, en las cuales se identificaron tres cuencas de distintas características, las cuales son Ramón, que es la más importante por su volumen y concentración; Zapayal y Ñamuc estas últimas de menor concentración en sales.
Tabla 3.1. Características del yacimiento de salmueras Bayóvar
Fuente: Inventario y evaluación de los recursos naturales de la zona de Bayóvar. (Oficina Nacional de Evaluación de Recursos Natura-les [ONERN y Organismo de Desarrollo del Complejo Bayóvar [ODECOB], 1977)
La muestra de estudio de la investigación se recolectó del yacimiento de salmueras de Bayóvar – Sechura, de la Cuenca San Ramon, donde se encuentra la mejor calidad de salmuera.
El depósito de Ramón consiste en un cuerpo central de evaporitas muy permeables y saturado de cloruros, sulfatos y bromuros de sodio, potasio y magnesio, rodeado por sedimentos de baja permeabilidad
.
Cuencas Área (Km2) Salmueras (mill, L) KCl (mill, ton.) MgCl2 (mill, ton.) NaCl (mill, ton.) K2O (mill, ton.) Ramon 128.2 397 3.97 33.82 85.91 2.51 Zapayal 306.5 718 2.94 24.08 58.66 --- Ñamuc 178.8 316 1.36 12.05 26.48 --- Total 611.5 1431 8.27 69.95 171.05 2.51
31
3.3. Métodos y Procedimientos
En este capítulo se describen las dos etapas del trabajo de investigación:
La etapa de muestreo y realizar los análisis químicos en el laboratorio para determinar la pureza de la muestra, analizando los parámetros de densidad, porcentaje de cloruros, potasio, calcio, magnesio, sulfatos y conductividad eléctrica.
Luego la etapa descriptiva donde se comparó evaluó y se propuso el mejor método electrolítico para la producción de sosa cáustica a partir de la salmuera analizada.
Primero se realizó el muestreo y análisis químicos de la materia prima de salmuera del yacimiento de Bayóvar de Sechura y se realizó la caracterización conociendo así las impurezas que contiene la muestra.
Paralelamente se revisó y propuso el mejor método electrolítico para la obtención de sosa cáustica y así darle un valor agregado a este recurso de la salmuera.
Toma de la muestra
salmuera líquida de los
yacimientos de Bayóvar -
Sechura
Almacenamiento adecuado
de la salmuera y toma de
densidad de esta.
Realización de los análisis
químicos
para
la
caracterización
de
la
salmuera.
Elección del método de
electrolítico
Estudio de los métodos
electrolíticos
para
producción
de
sosa
cáustica.
Comparación
de
producción de los procesos
electrolíticos de salmuera.
ETAPA
1
ETAPA
2
32
3.3.1. Métodos de análisis para la caracterización de la materia prima
Se recolectó la muestra de salmuera proveniente del yacimiento de Bayóvar de Sechura, y se realizaron los análisis a la muestra de salmuera a nivel de laboratorio
.
3.3.1.1.Determinación de la densidad
La metodología para la determinación de la densidad se basa en el principio de Arquímedes en la medición. En este caso se utilizó el densímetro de inmersión (hidrómetro), instrumento de medida directa de la densidad de un líquido.
Materiales: - Vaso de precipitados 250mL - Pipeta volumétrica 25mL - Probeta graduada 500mL - Densímetro (Hidrómetro) Procedimiento:
- Se tomó una alícuota de 500mL de salmuera y se colocó en una probeta, donde se introdujo el densímetro de inmersión gradualmente para que flote libre y verticalmente. A continuación, se observa en la escala el punto en el que la superficie del líquido toca el cilindro del densímetro.
3.3.1.2.Determinación de cloruros
La metodología para la determinación de cloruros tiene sus bases en el Método de Mohr (método volumétrico), que tiene como objetivo una valoración directa utilizando como valorante una solución de nitrato de plata (AgNO3) y como
indicador una solución de cromato de potasio (K2CrO4), el punto final de la
valoración se detecta por el cambio de color de la disolución a anaranjado rojizo que corresponde al cromato de plata (Ag2CrO4)
Las reacciones químicas son:
𝐴𝑔+ + 𝑁𝑂 3 - ⇄ 𝐴𝑔𝑁𝑂3(s) 2𝐴𝑔+ + CrO 4 -2 ⇄ 𝐴𝑔2CrO4 Materiales: - Pipeta volumétrica 5mL - Pipeta graduada 10mL - Vaso de Precipitado 250 mL - Matraz Erlenmeyer 250mL
33 - Fiola 100mL
- Bureta 25mL
Reactivos:
- Solución de nitrato de plata (AgNO3 0.1N)
- Indicador cromato de potasio (K2CrO4)
Procedimiento:
- Se tomó una alícuota de 2ml de salmuera y preparar una solución en una fiola de 100mL.
- Se tomó de la solución preparada una alícuota de 5mL y colocó en un matraz Erlenmeyer agregando dos gotas de indicador cromato de potasio (K2CrO4) el cual tornará un color amarillo.
- Luego se realizó la titulación agregando gota a gota la solución titulante (AgNO3 0.1N) hasta que se produjo un viraje en el color, de amarillo a
anaranjado rojizo y finalmente se anotó el volumen de gasto. - La concentración de cloruros (g/L) se determinó con la ecuación:
3.3.1.3.Determinación de potasio
El método de análisis utilizado es gravimétrico utilizando el secado en estufa para determinar la concentración del ión potasio en la muestra de salmuera.
Materiales: - Pipeta volumétrica 5mL - Vaso de precipitados 250mL - Gotero - Varilla de agitación - Crisol de vidrio Equipos: - Estufa
34 Reactivos:
- HClcc
- Fenilborato de sodio
Procedimiento:
- Se tomó un 1mL de la muestra de salmuera y se colocó en un vaso de precipitado agregando 1mL de HClcc, se llevó la muestra a refrigeración
hasta una temperatura de 5°C.
- Se precipitó el potasio agregando 25mL del reactivo Fenilborato de sodio a la muestra ya a 5°C se observa un color blanco lechoso, se agitó usando la varilla y se llevó a refrigeración.
- Se pesó el crisol de vidrio de poro fino Wooch y se filtró la muestra usando la cámara de vacío y el precipitado obtenido se llevó a la estufa a 100-105°C durante 2 horas y se determinó el porcentaje de cloruro de potasio y la concentración de iones potasio.
3.3.1.4.Determinación del porcentaje de calcio
El método EDTA por volumetría se ha utilizado para la determinación del porcentaje de calcio. Materiales: - Pipeta volumétrica 5mL - Vaso de Precipitado 250mL - Matraz de Erlenmeyer 250mL - Bureta 25mL - Gotero Reactivos: - Indicador murexida - Solución EDTA 0.01N Procedimiento:
- Se tomó una alícuota de 5mL de la solución de 100mL de la muestra de salmuera y se colocó en un matraz Erlenmeyer, se le añadió 5 gotas de murexida (indicador) y se valoró con EDTA 0.01 N.
- Anotar el volumen de gasto, VEDTA (Ca), para los cálculos respectivos de porcentaje de calcio
35 - Con la ecuación matemática se calculó el porcentaje de calcio presente en
la muestra de salmuera:
𝐶𝑎+2= 𝑉𝐸𝐷𝑇𝐴(𝐶𝑎) 𝑥 𝑁𝐸𝐷𝑇𝐴 𝑋0.02
𝑉𝐶𝑎 𝑥 1 𝑥 𝐷𝑠𝑎𝑙𝑚𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑥 100
3.3.1.5.Determinación del porcentaje de magnesio
El método EDTA por volumetría se ha utilizado para la determinación del porcentaje de magnesio. Materiales: - Pipeta volumétrica 5mL - Vaso de Precipitado 250mL - Matraz de Erlenmeyer 250mL - Bureta 25mL - Gotero Reactivos: - Indicador NET - Solución buffer 10 - Solución EDTA 0.01N Procedimiento:
- Se tomó una alícuota de 5mL de la solución de 100mL de la muestra de salmuera, se le añadió 5 gotas de NET (indicador) y una solución de buffer 10, se valoró con EDTA 0.01 N.
- Anotamos el VEDTA (total) y hallamos el volumen de gasto, VEDTA (Mg), para los cálculos respectivos del porcentaje de magnesio
VEDTA (Mg) = VEDTA (total) - VEDTA(Ca)
- Con la ecuación matemática se calculó el porcentaje de magnesio presente en la salmuera:
𝑀𝑔+2= 𝑉𝐸𝐷𝑇𝐴(𝑀𝑔) 𝑥 𝑁𝐸𝐷𝑇𝐴 𝑋0.012
