Master Profesional de Ingeniería y Gestión medioambiental
Tratamiento físico-químico de
residuos industriales/Gestión
de Residuos
Año de realización: 2010-2011
PROFESORA
1. Introducción y Objetivos
2. Tratamientos mediante Precipitación Química
3. Tratamientos mediante Oxidación Química 4. Tratamientos mediante reacciones de
Reducción Quimica 5. Separación de fases
6. Técnicas de ajuste final de la calidad: tratamientos con membrana o tratamientos térmicos.
7. Conclusión
8. Casos prácticos
Tratamiento Físico-químico de Residuos Industriales/Gestión Residuos
Capítulo 1
Tratamientos fisico-quimicos Objeto:
Eliminar los contaminantes presentes en fase acuosa mediante la adición de reactivos.
Contaminantes objetivo:
Metales pesados
•Cianuros
•Cromatos (cromo VI) •Arseniatos
•Fosfatos
Calidad final
La calidad del efluente y por tanto la combinación de tecnologías a emplear vendrá dada por los requisitos de vertido.
Tratamientos fisico-quimicos
Fundamentalmente estas técnicas de tratamiento van dirigidas a residuos
procedentes de las industrias del metal y más concretamente a la
industria del tratamiento de superficies.
La actividad de estas industrias se centra en recubrir superficies metálicas o plásticas con distintos materiales con los siguientes fines:
Prevenir la corrosión Prevenir el desgaste Aumentar su dureza Aumentar su resistencia
Tratamientos fisico-quimicos
Los procesos productivos más significativos desde el punto de vista de la producción de residuos son:
Corte mecánico (se utilizan las taladrinas como refrigerantes) Pulido y conformado de la pieza
Desengrasado (baños alcalinos)
Decapado (baños de ácidos concentrados) Revestimientos
Fosfatación
Oxidación anódica o anodizado( recubrimiento con un óxido metálico) Procesos de electrodeposición, también conocidos como galvanotecnia (cobreado, niquelado, cadmiado, zincado, latonado, etc)
Ánodo:
Deposición del Zinc Zn2+ + 2e- Zn
Generación de Hidrógeno 2H+ + 2e- H
2↑
Cátodo:
Oxidación del SO42- 2 SO42- S
2O82- + 2e
-Descomposición del S2O82- 2 S2O82- 2 SO
42- + 2SO3 + O2↑
Síntesis de H2SO4 SO3 + H2O H2SO4
Electrolisis del H2O 2H2O 4H+ + O
2↑ + 4e
Minimización
De acuerdo con los principios de la UE y la legislación, las técnicas de eliminación deben considerarse una vez que se ha procedido a estudiar y a implantar los procesos de minimización de residuos
Implantación de técnicas de fabricación que minimicen la generación de residuos
Sustitución de las sustancias empleadas por otras menos peligrosas
Empleo de técnicas de recuperación, reciclado y reutilización.
•Precipitación química.
•Oxidación química.
•Cianuros
•Compuestos orgánicos
•Reducción de Cromo hexavalente: Cr VI.
•Separación de fases, rotura de emulsiones.
•Tratamiento de orgánicos e iones: membrana y evapocondensación.
•Estabilización
•Destilación para recuperación de disolventes. TRATAMIENTOS FÍSICO-QUÍMICOS:
Capítulo 2
PRECIPITACIÓN QUÍMICA
OBJETIVO
conseguir un efluente de calidad adecuada y concentrar los contaminantes (METALES PESADOS) en una fase sólidaque deberá ser gestionada correctamente.
PRECIPITACIÓN QUÍMICA: Forma de producirla
1. Adición de sustancias que reaccionan con el compuesto para dar lugar a una forma poco soluble (precipitación de sulfuros).
2. Adición de sustancias que alteran el producto de solubilidad produciendo la insolubilización (precipitación de pH).
PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO -
PRECIPITACIÓN DE METALES
M P
+++ Ca(OH)
2M(OH)
2+Ca
++Precipitación como hidróxido utilizando cal o sosa
La precipitación debe mantenerse en un pH específico si el metal es anfótero.
Ensayos previos (jar test) para ver el pH idóneo de la mezcla y obtener los datos de consumo de reactivo y de generación de lodo.
Son esperables consumos superiores a tres veces la cantidad estequiométrica.
PRECIPITACIÓN DE METALES
M P
+++ Ca(OH)
2M(OH)
2+Ca
++Los metales más frecuentemente encontrados en los residuos de origen industrial son:
Reactivos de precipitación.
CARACTERISTICAS DE LOS REACTIVOS
Ca(OH)2 NaOH CO3Na2 SNa2
Uso general Pequeños consumos Sólo si es requerido Sólo si es requerido
Precio Bajo Alto Moderado Alto
Velocidad de reacción Baja Muy Alta Moderada Moderada
Separación precipitado Muy buena Moderada (c/polielectrolito) Moderada (c/polielectrolito) Muy difícil (c/polielectrolito)
Floculación
Consiste en la aglomeración de partículas de tamaño pequeño para favorecer su sedimentación mediante:
•Desestabilización química de las fuerzas superficiales repulsivas (fuerzas electrostáticas e interiónicas).
•Englobamiento físico y químico de las diferentes partículas.
Los floculantes más utilizados son:
•Alúmina •Cal
•Sales ferrosas y férricas
Sedimentación
Proceso físico por el que las partículas suspendidas en un líquido por medio de fuerzas gravitacionales e
inerciales sedimentan.
Se requiere:
•Depósitos de suficiente tamaño para favorecer que el líquido permanezca suficiente tiempo y pueda sedimentar.
•Un medio mecánico para dirigir el sólido hacia la parte inferior del depósito con el fín de facilitar la sedimentación.
FILTRACIÓN : DESHIDRATACIÓN DEL LODO
Los filtros prensa son los equipos más empleados para la separación de mezclas sólido-líquido.
La mezcla se bomba a varias cámaras que tienen a ambos lados una tela filtrante, las partículas sólidas quedan retenidas por la tela filtrante y el líquido se filtra.
Cuando la cámara se llena de sólidos aumenta la presión (espesor de torta de 15 a 70 mm), se para el sistema y se descarga la torta.
Esquema tipo de proceso de tratamiento químico
PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO
ENTRADA
EFLUENTE
AJUSTE DE pH DECANTADOR
TANQUE DE REACCIÓN
PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- Medidas de prevención de la contaminación
Cubetos de contención de derrames (sin conexión a la red de saneamiento)
Separación de las redes de saneamiento : industrial (incluyendo el laboratorio) y oficinas
Niveles de llenado en depósitos de almacenamiento para evitar derrames por sobrellenado
Recogida de pluviales de viales y depósitos de almacenamiento
PRECIPITACIÓN DE METALES
Ventajas:
•Operación sencilla y con equipos estándar
•Versátil, aplicable a gran variedad de corrientes acuosas.
•Relativamente bajo costo
•Fácilmente integrable en sistemas más costosos. •Método no destructivo.
Inconvenientes:
•Presencia de complejos o de partículas difícilmente sedimentables (sulfuros).
Capítulo 3
2. REACCIONES DE OXIDACIÓN
Se basan en reacciones red-ox, en medio acuoso y utilizan
reactivos de naturaleza inorgánica.
El reactivo se selecciona dependiendo de su potencial
estándar de reducción, que toma valores entre +3 y –3
voltios.
poder de oxidación cuanto más positivo sea su potencial
estándar frente al del compuesto a oxidar.
OXIDACIÓN QUÍMICA
Conceptos básicos
Oxidante/medio ácido Eº (V) voltios
Peróxido de hidrógeno catalizado (reactivo Fenton)
+2,80
Oxígeno atómico +2,42
Ozono +2,08
Äcido persulfónico +2,01
Peróxido de hidrógeno +1,76
Äcido permángánico +1,51
Äcido hipocloroso +1,49
Cloro +1,36
Dióxido de cloro +1,27
OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros
A) Cloración alcalina
NaCN + Cl2 CNCl+ NaCl
CNCl +2NaOH NaCNO +ClNa +H
20
2NaCNO + 4NaOH +3Cl
26NaCl+2C0
2+N
2+2H
20
Consumo teórico de cloro en la 1ª etapa 2,7 gr/Cl2
Consumo teórico de cloro de la 2ª etapa 2,5 grCl2/CN0
Consumo total 6,8 gr Cl2/grCN
PLANTA DE
PLANTA DE
PLANTA DE
OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros
B) Ozonización
NaCN + O3
NaCNO + O2
2NaCNO +3O3+H2O NaOH +2CO2 +N2+302
OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros
c) Oxidación electrolítica
Es apto para concentraciones que se sitúan entre 1000 y
3000 mg/l de CN. A concentraciones inferiores reduce su
eficacia.
OXIDACIÓN- peróxido de hidrógeno catalizado
Su poder oxidante permite el tratamiento de moléculas
orgánicas que no reaccionan frente al peróxido de hidrógeno
debido a que requieren altas energías de activación.
Catalizadores efectivos son: ión ferroso, o dióxido de titanio.
Su aplicación más característica es la eliminación de fenoles en
agua, destrucción de pesticidas, herbicidas, etc.
Capítulo 4
REDUCCIÓN QUÍMICA- tratamiento de cromo hexavalente
Reducción de Cr VI
Con bisulfito
4H
2Cr04+ 6NaHS0
3+3H
2S0
4Cr
2(S04)
3+3Na
2S0
4+10H
20
Con sulfato ferroso
2H
2Cr0
4+6FeS0
4+6H
2S0
4Cr
2(S04)
3+3Na
2S0
4+8H
20
Capítulo 5
4. SEPARACIÓN DE FASES- rotura de emulsiones
1. Cambio de pH o utilización de desemulsionantes para
separar la suspensión coloidal de los compuestos orgánicos
en agua.
2. Separación de las partículas por gravedad o centrifugación
(a veces en caliente).
Residuos aplicables:
- Emulsiones aceite-agua (taladrinas)
4. SEPARACIÓN DE FASES- rotura de emulsiones
aceite
agua
Capítulo 6
Tratamientos de ajuste calidad
5. TRAMIENTO DE ORGÁNICOS E IONES. Tratamiento mediante membranas
Son tecnologías más recientes cuyas ventajas frente a los sistemas tradicionales de tratamiento son:
-Permiten hacer frente a la creciente presión de la regulación jurídica (límites más restrictivos de vertido).
- Reciclan el agua tratada.
Los inconvenientes más característicos son:
-Insuficiente selectividad de las membranas
-Caudales relativamente pobres por problemas de ensuciamiento de las membranas.
4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
Una membrana se define como un film delgado (fino) que separa dos fases y actúa como barrera selectiva al transporte de materia, debido a la existencia de una diferencia de potencial químico entre las dos fases.
La membrana debe considerarse un material funcional no pasivo.
4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
-
La separación tiene lugar a Tª ambiente.-La separación implica la no acumulación de
productos en las membranas.
-No requiere la adición de reactivos.
Operación de membranas mediante presión:
Ósmosis inversa.- Por medio de una presión el solvente de una solución se
transfiere a través de una membrana, la diferencia de potencial químico promueve la difusión del agua a través de la membrana. P trabajo= 5 a 8 MPa
Nanofiltración.- la membrana es selectiva para la eliminación de iones
polivalentes (calcio y magnesio), más reciente,mente se emplea para eliminar materia orgánica. P trabajo= 0,5 a 1,5 Mpa.
Ultrafiltración.- Permiten el rechazo de solutos gruesos (macromoléculas),
los de bajo peso molecular no son retenidos por la membrana. Ptrab = 50 a 500 kPa
Microfiltración.- Presentan mayor tamaño de poro que la UF.
4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
Clasificación de membranas
Separación fundamentada en grandes diferencias de
tamaño: MF, UF, y DIA. Requieren membranas porosas.
Separación fundamentada en diferencias de solubilidad y difusividad (solución-difusión):PG, PV y OI.
Requieren membranas no porosas o densas.
4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
Aplicaciones en tratamiento de efluentes
industriales:
-
Soluciones con iones disueltos difícilmente
precipitables (efluentes de otros procesos). Por
ejemplo, aguas con Cl-, Na+, K+ etc.
5. OTROS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE DE ORGÁNICOS DISUELTOS E IONES. Evapocondensación
Tecnologías alternativas a las membranas lo constituyen los tratamientos de evaporación y condensación posterior del agua.
Su principal limitación es que requiere la ausencia de compuestos orgánicos volátiles ya que en este caso se destilarían con la fase acuosa (sólo aplicable en el caso de evapooxidación.
5. OTROS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE DE ORGÁNICOS DISUELTOS E IONES.
Se aplican al mismo tipo de corrientes que las que se han visto para las membranas.
Los factores decisivos para la toma de decisiones serán:
-% de rechazo obtenido en las membranas
-% de concentrado
-Caudales a tratar
-Consumo energético
5. EVAPOCONDENSACIÓN.
La evaporación se puede llevar a cabo utilizando las siguientes tecnologías.
-Evaporación al vacío mediante bomba de calor. Se realiza vacío en la cámara de ebullición, con lo que se consiguen Tª de destilación de 30º a 40ºC.
-Evaporación al vacío mediante fluidos de calefacción y enfriamiento externos. Útil para caudales altos.
Evaporación por termocomprensión: trabaja a vacío y el vapor destilado se comprime hasta P atmosférica
5. EVAPOCONDENSACIÓN.
Bomba de calor: se basa en un ciclo cerrado de comprensión y expansión de freón. El freón se calienta y evapora al líquido, al expandirse se enfría y condensa el líquido.
Características:
Consumo de
electricidad mayor
Caudal de
evaporación entre 15 y 700 l/h
Inversión ligeramente inferior Más versátil 1.- Compresor 2.- Ebullición 3.- Refrigerador 4.- Condensación 5.- Inyector 6.- Bomba
Agua apta para uso en riego de
Agua para reciclaje en procesos
Con el agua de evapo-condensación destilan trazas de orgánicos volátiles y amoniaco que se eliminan por tratamiento biológico del tipo SBR.
Ajuste final
líquidos inmiscibles o desemulsionablesque se separan por decantación, centrifugación, etc.
aceites, hidrocarburos, disolventes, etc
contaminantes inorgánicos que se destruyen por reducción (cromatos) o metales pesados que se insolubilizan como hidróxidos.
metales pesados, cromatos, etc.
el agua se separa por evaporación y posterior condensación, quedando estos compuestos como un concentrado de la evaporación..