Tecnologías Convencionales. Dra. Ma. Teresa Alarcón H.

(1)

Tecnologías

Convencionales

Dra. Ma. Teresa Alarcón H .

(2)

2

El arsénico en agua potable es

uno de los mas importantes

RIESGOS NATURALES a LA

SALUD,

El cual debe ser afrontado y

solucionado

(3)

INFORMACIÓN,

SENSIBILIZACIÓN a la comunidad

(sin causar pánico)

 Buscar TECNOLOGÍAS de tratamiento

(4)

Población urbana

Plantas de tratamiento

económicamente accesibles y existentes

•Norte de Chile

•Ciudades de la planicie del Chaco

pampeano Población rural PROBLEMÁTICA COMPLEJA grado de pobreza número y densidad de población Grupo más afectado: población rural dispersa

Comunidades con

(5)

Procesos de Remoción

Convencionales

Gran escala



Osmosis Inversa,



_{Precipitación,}



_Filtración



_Adsorción

(6)

(7)

Potabilización de Agua

Desarenado Rejilla para Material Grueso Comunidad Río o corriente Natural Floculación Sedimentación Desinfección Ozono Coagulante Polímero A disposición de lodos A disposición de lodos Filtración Rápida Cloro Estabilización Química Tanque de Almacenamiento

(8)

Potabilización de agua

OBJETIVOS: clarificar el agua y reducir número

de microorganismos



_{Sedimentación}



_{Coagulación-floculación}



_{Sedimentación y filtración}



_{Desinfección}



_¿ARSÉNICO?

8

(9)

Tecnologías convencionales.



_{Adsorción co-precipitación con metales}

hidrolizables (coagulación)



_{Ablandamiento con cal}



_{Adsorción en alúmina activada}



_{Intercambio iónico}



_{Procesos con membrana}

 _{(osmosis inversa, ultrafiltración, nanofiltración)}

(10)

Factores a considerar

 Meta de concentración residual : ¿ 0.025 mg/L?

• Caudal a tratar

• Matriz de agua

 _{Flexibilidad del proceso para tratar aguas de calidad variable}  Fiabilidad/complejidad del proceso

 Compatibilidad ambiental :generación de residuos y manejo posterior

 _{Condicionantes locales}_{: ¿escasez de agua, cultura,…?}

 Calificación del operador

 Frecuencia de monitoreo ¿ tiempo y $ análisis?

 Viabilidad a largo plazo

 COSTOS de insumos (reactivos, materiales adsorbentes)

 membranas, oxidantes, energía,….

 Costos de inversión, operación y mantención

(11)

Coagulación-Sedimentación



_{ADSORCIÓN / CO-PRECIPITACIÓN}



_{Las especies de Arsénico son removidas por}

mecanismos de adsorción y /ó oclusión en los

óxidos formados.

(12)

Remoción de arsénico por

coagulación

En el proceso de coagulación el

coagulante se hidroliza y forma flocs que precipitan como óxidos

hidratados insolubles.

El As se adsorbe en estos óxidos hidratados insolubles

Los óxidos con el As sorbido se remueven del agua por

sedimentación y simple filtración.

(13)

(14)

Procesos involucrados

14

(15)

Factores: eficiencia de remoción de arsénico

por coagulación

15



_{Dosis de agente coagulante}

_:

determina de manera directa el área superficial del hidróxido sobre el cual se adsorbe el arsénico

.



_pH

:

influencia la especiación del As y la composición de los grupos funcionales de la superficie del hidróxido férrico. Remoción de As(V) aumenta con disminución de pH del agua cruda. La adición de

H2SO4 reduce dosis de coagulante requerida.

 _{Concentración inicial de Arsénico: relación molar}

Fe/As

(16)

Factores: eficiencia de remoción de

arsénico por coagulación

16

Matriz de agua

 _{Silicato: compiten por sitios de adsorción}  _{Fosfato: compite por sitios de adsorción}

 _{Carbonato: compiten por sitios de adsorción}  _{Ca/Mg: neutralizan cargas superficiales}

resultantes de adsorción de aniones

 _{COD (ac. húmicos): compiten por sitios de}

adsorción

 _Cl-_{, SO}

(17)

Factores a Controlar

(18)

Factibilidad de tratamiento

18

Dosis de coagulante y pH de reacción Características del floc formado

Velocidad y tiempo de floculación Velocidad de decantación del floc

(19)

Factibilidad de tratamiento

(20)

GENERACIÓN DE LODOS

 _{La remoción de Arsénico por coagulación genera}

lodos cuya concentración de Arsénico es directamente proporcional a:

 volumen de agua tratada

 volumen de agua usada en lavado de filtros

 eficiencia alcanzada en remoción de Arsénico

 _{Los lodos se deben analizar y determinar su}

peligrosidad, Toxicity characteristic leaching procedure

(TCLP)

 _{Disposición adecuada}

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Coagulación

Ventajas Desventajas

 Remoción de turbiedad, color , Fe, Mn, F –  Reducción de niveles de materia orgánica y microorganismos  Tratamiento de grandes volúmenes de agua  Alta eficiencia:90-95%  Obtención fácil de  insumos

 Pérdidas reducidas de agua

 Requiere ajuste de pH y oxidación del As

 Presencia de fosfato, silicato reduce eficiencia

 Costos pueden resultar elevados para sistemas pequeños

 Requiere operadores entrenados

 Disposición final de residuos generados.

(22)

Resumen

 _{Proceso muy conocido en tratamiento de agua}  _{Al adsorberse el arsénico en el floc formado pasa}

a tratarse como si fuera turbiedad.

 Al remover la turbiedad se remueve arsénico

 _{Los insumos requeridos para el proceso de}

coagulación son fáciles de obtener y de costo razonable

GRANDES VOLÚMENES DE AGUA

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CENTRALIZADO

(23)

Salar El Carmen, Chile

Plantas de tratamiento modernas para remoción de arsénico Problema solucionado, gran intervención de las autoridades

(24)

(25)

25

(26)

ADSORCIÓN

Adsorción es la acumulación preferencial de una

substancia en una fase liquida o gaseosa sobre la superficie de un sólido (IAS)

Los procesos de adsorción son ampliamente usados en muchas

aplicaciones industriales y en el tratamiento de agua potable

Adsorbente

Adsorbato (soluto)

Un proceso de adsorción involucra la separación de una substancia en una fase fluida acumulando la sustancia en la superficie del adsorbente sólido

(27)

Características de los

Adsorbentes



_{Un adsorbente deberá tener una gran}

capacidad de adsorción y rápida velocidad

de adsorción

 Gran área superficial o volumen de microporos

 Estructura porosa para que las moléculas del adsorbato se transporten a los sitios activos

 _{Microporos d < 2 nm}  _{Mesoporos 2 < d < 50 nm}

 _{Macroporos d > 50 nm}

(28)

Adsorbentes

28

Alúmina Activada

Carbón Activado

•Carbón Activado

•Zeolitas Tamices Moleculares •Gel de Sílice

(29)

Isoterma de Adsorción

 La Isoterma de Adsorción es la relación matemática entre la masa de soluto adsorbido y la concentración del soluto en la solución una vez que se ha alcanzado el equilibrio.

29

Adsorbente

Concentración del soluto en solución, mg/L

(30)

Efecto de las variables de

operación



_{Naturaleza del adsorbente}

 _{Las características de la superficie determinan el}

tipo de sitios activos donde se adsorbe el soluto.



_{Efecto del pH de la solución}

 La capacidad de adsorción es dependiente del pH de la solución, ya que afecta las características de la

superficie, el tipo de especies del adsorbato que se encuentran en solución y las interacciones entre la superficie y el adsorbato en solución.

(31)

Efecto de las variables de

operación



_{Efecto de la temperatura}

 _{La isoterma de adsorción representa el}

equilibrio termodinámico entre el soluto adsorbido y el soluto en solución y por esta razón, es dependiente de la temperatura.

 El equilibrio de adsorción se favorece disminuyendo la temperatura.

 El equilibrio de adsorción se favorece aumentando la temperatura.

 El equilibrio de adsorción es independiente de la temperatura.

(32)

Separación por Membranas



_{La membrana actúa como un filtro muy}

selectivo que permite el paso del solvente

(agua) y retiene a los sólidos suspendidos,

macromoléculas y iones.

(33)

Tamaño del poro del medio filtrante y tamaño de las

partículas microbiológicas

Procesos de filtración

(tamaño del poro del medio

filtrante)

Partículas

microbiológicas

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3

Tamaño (mts.) ( escala log.)

RO: osmosis inversa; NF: nanofiltración; UF: ultra filtración; MF: microfiltración;

DE: filtracion en tierra diatomácea. 2 incluye filtros lentos. El poro del filtro lento es menor que el del filtro rápido.

NF UF MF 2. Filtración granular Filtros de cartucho y saco RO DE virus bacterias algas quistes protozoos ºQ u iste s b a la n tid iu m c o li ºRo ta v irus ºB a cteri a s co li fo rm es Q u iste s d e G ia rdia ºO o cisto s Cry p to sp o rid iu m

(34)

Separación por Membranas

34

Separación Gradiente Mecanismo

Dialisis Concentración Tamizado y Difusión Restringida

Electrodialisis Potencial Eléctrico Transporte Contra-iónico Nanofiltración Presión Hidrostática Tamizado Osmosis Inversa Presión Hidrostática

Vs. Presión Osmótica

Flujo capilar y Retención Preferencial

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Osmosis Inversa

 Ósmosis es un fenómeno fisicoquímico en el cual el agua fluye espontáneamente a través de una

membrana semipermeable desde el lado que contiene la solución con menor concentración del soluto al lado que contiene mayor concentración del soluto

.

(36)

(37)

Osmosis Inversa

(38)

Componentes

 Tubo de presión conteniendo la membrana, aunque normalmente se utilizan varios de estos tubos,

ordenados en serie o paralelo.

 Una bomba suministra en forma continua el fluido a tratar a los tubos de presión, es la encargada en la práctica de suministrar la presión necesaria para producir el proceso.

 Una válvula reguladora en la corriente de

concentrado, es la encargada de controlar la misma dentro de los elementos (se denominan así a las

membranas convenientemente dispuestas).

(39)

Configuraciones de la

membrana



_{Tubular, Espiral, Fibras huecas.}

 >60% son en espiral

 Buena relación

Área de membrana/volumen del elemento

 _{Diseño que le permite ser usado sin dificultades de}

operación en la mayoría de las aplicaciones, ya que admite un fluido con una turbiedad más de 3 veces mayor que los elementos de fibra hueca.

(40)

(41)

Conceptos

 Presión osmótica: Es la diferencia de presión que hay entre

una solución concentrada y una solución diluida.

 _{π = π alimentacion- π permeado}

 La presión osmótica de una disolución salina es

proporcional a su concentración y puede determinarse simplificadamente por la ecuación:

 _{π = 0.00076 (SD) = bar π = 0.0762 (T+273)*}_mi

 SD = Sólidos disueltos totales

 y también puede determinarse por la siguiente ecuación:

 _{π = Presión osmótica (atm)}  T = Temperatura (ºC)

 Σmi = suma de las molalidades de todos los constituyentes iónicos y no iónicos de la disolución.

(42)

 La presión osmótica de una disolución se puede calcular con más exactitud por la ley de van’t Hoff:

 _{Po= i*M*R*T}

 donde :

 Po = π = Presión osmótica que se pretende calcular, expresada en atmósferas.

 i = es el “factor de van’t Hoff” y expresa el grado de disociación del soluto.

 M = Σmi = es la concentración molar de la disolución, expresada en moles/litro.

 R = es la constante de los gases, igual a 0,082 atmósferas x litro / Mol / °K.

 _{T = es la temperatura en grados Kelvin.}

(43)

Osmosis Inversa

Las presiones de trabajo = 65 y 70 atmósferas.

el consumo ideal de energía en el paso por la membrana se sitúa en el rango de 1,83 a 1,97 kWh/m3

 Presión Neta de trabajo(PNT): La presión neta ejercida a la

membrana menos la presión osmótica y menos la contrapresión.

PNT= Pa-Po-Pp(0.5)*Pdm

 Pa = Presión alimentación

 Po = Presión osmótica

 Pp = Presión permeado

 Pdm = Perdida de carga en membranas + ensuciamiento

PNT= Ptot –π - P

 Ptot = Presión hidrostática total

 π = Presión osmótica

 ∆P = Pérdida de presión

(44)

Energía mínima de desalación

(Wmin): La energía necesaria para presurizar un volumen V de

cualquier fluido incompresible a la presión P equivale al producto de la presión por el volumen:



**_{W = P*V}**

energía consumida por el volumen de agua V al atravesar la membrana impulsado por la presión P.

 La energía mínima necesaria para extraer 1 m3_{de agua pura a}

partir de una disolución mediante un dispositivo ideal de ósmosis inversa será:



_W

min = 0.02815*P0 = kwh

 Po de una disolución es aquella a la que se pone en marcha el proceso de ósmosis inversa.

(45)

Energía mínima de desalación

La energía consumida por 1 m3_{de agua al atravesar una}

membrana de ósmosis inversa, expresada en kWh/m3_,

equivale a:

Wmin= Po*0.02815

la presión de trabajo P expresada en atmósferas,

multiplicada por el factor de conversión de la unidad de energía atmósferas*m3_{a la unidad kWh que es}_0,02815_.

(46)

Osmosis Inversa

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Osmosis Inversa

 La polarización de la concentración es la acumulación del

soluto rechazado en la superficie de la membrana,

ocasionando que la concentración del soluto en la superficie sea mayor que en el en el seno de la solución de

alimentación. Los problemas de este efecto son:

 Disminución del flujo de agua (JW) debido al incremento de la presión osmótica.

 Aumento del flujo de soluto a través de la membrana reduciendo la eficiencia de separación.

 Bloqueo de los poros de la membrana debido a la

precipitación del soluto en la superficie de la membrana.

 Obstrucción de la membrana.

(48)

48

Restricciones,

Ciertas especies químicas el sistema no es capaz de retener: el arsenito (As+3), la sílice y el boro. Incrustaciones: M.O., El arsenito (As+3) experimenta un rechazo de menos de 25%,

El arsenato (As+5) se retiene entre un 95-98%.

(49)

(50)

Situación actual en Chihuahua

 > 300 plantas de Osmosis inversa.  258 comunidades  44 municipios,  245,000 habitantes,  1,790 m3_/d 50

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Drenaje (90%) Riego (8%) Recarga del Acuífero (2%)

2000

m

3

/día

2000

m

3

/día

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