Evaluación de la operación de adsorción en continuo, de Níquel (II) utilizando Bagazo de caña de azúcar natural

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(1)Facultad de Química-Farmacia. Departamento de Ingeniería Química.. Título: “Evaluación de la operación de adsorción en continuo, de Níquel (II) utilizando Bagazo de caña de azúcar natural” Autor: Tutor:. Raciel Rodríguez Castellanos Mrc. Inés Alomás Vicente Dra. Yeslié González Bermúdez. Consultante: Dr.Ivan Rodríguez Rico “Año del 50 Aniversario de la Revolución”. Santa Clara, 2009.

(2) PENSAMIENTO. ….. En la ciencia no hay calzadas reales, y quién pretenda ascender a sus luminosas cumbres, tendrá que hacerlo a través de senderos escabrosos. Karl Marx..

(3) DEDICATORIA. Dedico esta tesis con todo el amor que merecen A mis padres y Familiares, por el infinito amor que me brindan, por tantos desvelos, por todos los sacrificios, y porque los amo. A mi novia, con mucho amor por su sonrisa de cada día e inagotable fuente de amor, por estos maravillosos tiempos juntos apoyándome y por su enorme comprensión. A Fidel y nuestra revolución..

(4) Agradecimientos. A mis padres y Hermanos por su apoyo, cariño y constante preocupación hacia mí durante todos estos años, facilitando así que hoy se haga realidad este sueño. A mi novia por su apoyo incondicional, espiritual y físicamente en todo momento de este trabajo y su familia que tanto apoyo me han dado en todo este tiempo. A mis tutores Dr. Iván Rodríguez Rico, Mrc. Inés Alomás Vicente, Dra. Yeslié Gonzáles Bermúdez por brindarme todo el tiempo y el apoyo necesario en la realización de este trabajo. A los compañeros Mercedes, Ángel, Pastora, Aleyda y todos los que en el CQA hicieron posible que este trabajo se realizara. A toda mi familia Osvaldo, Elena, Maricela, Carmen, mis primas, Osvel, Marelis y a mí abuela María, en fin a todos que siempre estuvieron pendiente de mí en todo este tiempo. Al compañero Mollineda que tanto me ayudó y me apoyó en los momentos más difíciles, en los análisis de laboratorio. A mis compañeros de aula Luís, Daniel, Heydi, Alexey, Yiliam, Yanet, Yalaina y los extranjeros. Los agradecimientos son muchos; pero el espacio es poco, cuanto quisiera poder poner en esta página a todas las personas que me estiman, me quieren, que hasta sienten suyo este logro. Por lo mucho que los aprecio, les brindo mi más sincero agradecimiento..

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(6) Resumen Resumen: En el presente trabajo se aborda el impacto ambiental. que ocasionan los. vertimientos de residuales industriales con presencia de concentraciones elevadas de Níquel que tiene alta toxicidad. para los seres humanos, lo que causa. afectaciones a la cadena trófica. Se desarrolló un proceso de adsorción a escala de laboratorio utilizando como adsorbente bagazo de caña de azúcar natural y del efecto que ejerce el paso a través de columnas con arreglo en serie de soluciones con contenido de Níquel, se propone realizar el escalado a planta piloto de la alternativa objeto de estudio considerando los elevados niveles de remoción de la propuesta, la fácil adquisición y bajo costo del biosorbente que se propone como relleno de la cama de las columnas..

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(8) Abstract. Abstract: This work is about of environmental impact caused by the factories’ spilled waste water with high content of heavy metals, highly toxic for the human and resistant beings to the degradation. It was developed a biosorption process at laboratory level using nature cane sugar bagasse as biosorbent and the effect had produced by the Nickel solution; and it intends to be carried out the scale up to pilot plant, to consider the high removal levels, the abundance and the cheap of the biosorbent that it intends to use..

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(10) Indice Índice Introducción Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.1. Contaminación ambiental por metales pesados. 1.2. Impacto del Níquel a los seres vivos. 1.3. Tratamientos convencionales para eliminación de metales pesados en efluentes industriales. 1.3.1. Precipitación química. 1.3.2. Electrodiálisis. 1.3.3. Ósmosis inversa. 1.3.4. Intercambio Iónico. 1.3.5. Adsorción. 1.3.5.1. Tipos de adsorción. 1.3.6. Biosorción. 1.4. Ejemplos de biomasas utilizadas como material biosorbente. 1.5. Estudios en continuo. 1.6. Diseño de columnas de adsorción por el método de la LUB de equilibrio. 1.7. Criterios de escalado. 1.7.1. Procedimiento a seguir. 1.8. Conclusiones parciales. Capítulo II. Montaje a escala de laboratorio de un sistema de columnas con bagazo de caña de azúcar. 2.1- Montaje experimental. 2.1.1. Preparación del biosorbente. 2.1.2. Preparación de las soluciones. 2.1.3. Estudio de la influencia del pH en el proceso de biosorción en continuo. 2.1.4. Estudios en continuo. 2.1.4.1. Pruebas hidráulicas y selección de los parámetros de operación 2.1.4.2. Cuantificación de las muestras. 2.2 Metodología. 2.2.1. Preparación de las soluciones. 2.2.2. Cálculo de la superficie de lecho no utilizada. 2.2.3. Cálculo de la capacidad de adsorción del lecho. 2.2.4. Porciento total de remoción de metal pesado durante la operación de la columna.. 1 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 7 7 8 10 13 14 16 18 18 18 19 19 21 22 23 24 24 25 27 28.

(11) Indice 2.2.5. Cálculo de la capacidad de adsorción y de la concentración de equilibrio en el lecho. 2.3. Criterios de escalado. 2.3.1. Metodología para el escalado de torres de adsorción. 2.4. Conclusiones Parciales. Capitulo III. Análisis y discusión de los resultados. 3.1. Estudios de biosorción en columna. 3.1.1. Pruebas hidráulicas. 3.1.2. Cálculo de los parámetros que definen el comportamiento del tratamiento en continuo. 3.2. Modelo de Adams Bohart. 3.3. Cálculo de los parámetros de la columna a escala de planta piloto. 3.3.1. Cálculo de la altura de la cama del prototipo. 3.3.2. Cálculos de la Caída de Presión 3.3.3. Cálculo de la masa de bagazo que se necesita en la planta piloto. 3.4. Análisis económico preliminar. 3.4.1. Cálculo de la inversión. 3.5. Conclusiones Parciales. Conclusiones Recomendaciones Bibliografía Anexos. 28 29 29 29 31 31 31 31 32 34 34 35 36 37 38 40 41 42 43.

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(13) Introducción Introducción: El desarrollo de tecnologías más limpias en la industria, ha sido consecuencia de una disminución de las descargas de sustancias contaminantes al medioambiente, pero se conoce que esta problemática aun persiste en diferentes sectores industriales que vierten metales pesados. Cuidar el medio ambiente es un problema de gran importancia en la actualidad; las aguas residuales con la aceleración del desarrollo científico-técnico, se han ido depositando, en grandes cantidades. en el cuerpo receptor de esos efluentes,. corriendo el riesgo de romper el equilibrio hombre-naturaleza. Entre los causantes de la contaminación encontramos las industrias químicas, entre ellas las tenerías, industrias galvánicas, peleteras, metalúrgicas donde se han realizado estudios con el objetivo de encontrar una alternativa válida para resolver el problema del impacto ambiental. La presencia de metales pesados en las aguas crea serios problemas, dado por sus efectos tóxicos sobre la integridad de la biota. Por lo que se han implementado técnicas para su eliminación. En la búsqueda de soluciones tecnológicas que propicien la descontaminación de dichos residuales, la biosorción ha sido especialmente considerada por resultar una vía ecológicamente sostenible y económicamente sustentable. A nivel mundial se realizan estudios del comportamiento de diferentes biosorbentes en el tratamiento a residuales, tales como: cáñamo, hojas de cortezas de pino, cáscara de arroz, pastos como la alfalfa, cáscara de coco, cáscara de avellana, rastrojo de maíz, [Cano-Rodríguez. I, 2002]; [Dokken. K, 1999] son reportados en estudios de laboratorio ya realizados, de ahí que se dirija la atención en este trabajo al estudio del bagazo de caña, como biosorbente de metales pesados.. 1.

(14) Introducción. Hipótesis. Los estudios de laboratorio y el escalado a nivel de planta piloto, para la biosorción de metales pesados empleando columnas rellenas con arreglos en serie, utilizando como adsorbente bagazo de caña de azúcar. puede constituir una. alternativa para reducir la emisión de contaminantes que se produce por residuales industriales.. Objetivo General. Evaluar a escala de laboratorio la remoción de la especie metálica Níquel (II) utilizando columnas rellenas con bagazo de caña de azúcar natural y proponer el escalado a nivel de planta piloto.. Objetivos específicos. •. Evaluar la remoción de níquel en soluciones acuosas usando columnas rellenas con bagazo de caña de azúcar natural.. •. Determinar la onda de adsorción del Níquel (II) y los parámetros de operación.. •. Diseñar un sistema de remoción para estos metales con análisis técnicos, económicos y ambientales de las propuestas.. •. Escalar a nivel de planta piloto el sistema seleccionado.. 2.

(15) Introducción. Tareas experimentales: •. Ajuste de los flujos de trabajo en las columnas, preparar las soluciones de Ni, a las concentraciones iniciales y pH experimentados con una sola columna.. •. Para un arreglo de 2 columnas en serie, calcular los % de remoción de los metal estudiado entre columnas y al final de las mismas. •. Diseño tecnológico y escalado a nivel de planta piloto del sistema de remoción de metal pesado para la alternativa seleccionada.. 3.

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(17) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. Revisión Bibliográfica 1.1. Contaminación ambiental por metales pesados. La descarga a cuerpos de agua de los efluentes generados como consecuencia de la actividad industrial, que contienen metales tóxicos, entre otras especies contaminantes, constituye un grave problema que afecta la calidad del agua. Con el propósito de asegurar la integridad de los ecosistemas acuáticos y proteger los recursos hídricos, las restricciones referidas al vertimiento de efluentes resultan cada vez más estrictas, lo que implica la búsqueda de soluciones tecnológicas, eficientes y económicas, que posibiliten el cumplimiento de las normas de vertimiento establecidas. En los últimos años, se han realizado considerables esfuerzos para el desarrollo de tecnologías de biosorción, por su alto impacto para el tratamiento de aguas contaminadas en gran escala (Vicente, 2007). 1.2. Impacto del Níquel a los seres vivos. Algunas personas sensibles al níquel pueden desarrollar dermatitis en la piel lejos del área de contacto; el eczema de la mano es relativamente común en personas sensibles a este metal. Trabajadores expuestos al níquel mediante inhalación pueden volverse sensibles y padecer crisis de asma, lo que es poco frecuente. Algunas personas sensibles al níquel reaccionan cuando consumen níquel en los alimentos o el agua, o respiran polvo que contiene níquel. La sensibilidad al níquel es más común en mujeres que en hombres, lo que se atribuye a la mayor exposición al níquel a través de joyas y otros artículos metálicos por parte de las mujeres. Otros de los efectos perjudiciales a la salud por exposición al Níquel lo constituyen la bronquitis crónica, disminución de la función pulmonar, cáncer de pulmón y los senos nasales, frecuente en personas que han inhalado polvo que contenía compuestos de níquel en el trabajo en refinerías de níquel o en plantas de procesamiento de níquel (Granda, 2006). (Anexo 1). 4.

(18) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. 1.3. Tratamientos convencionales para eliminación de metales pesados en efluentes industriales. Teniendo en cuenta los efectos que tienen los metales pesados, constituye una necesidad su eliminación de los diversos efluentes. Las industrias se ven obligadas a reducir la cantidad y la peligrosidad de sus vertidos al medio ambiente, para dar cumplimiento a las normas medioambientales vigentes (Tenorio, 2006). 1.3.1. Precipitación química. Es uno de los métodos de tratamientos de aguas ácidas más aplicado en la actualidad, consiste en su neutralización con caliza, cal o soda cáustica, con lo que se consigue precipitar los metales disueltos en forma de hidróxidos. Puede utilizarse floculantes poliméricos para acelerar la sedimentación de los precipitados. 1.3.2. Electrodiálisis. El tratamiento consiste en aplicar corriente directa a través de un cuerpo de agua separado en capas verticales por membranas altamente permeables a cationes y aniones. Los iones relativamente pequeños pasan rápidamente a través de las membranas, pero iones orgánicos grandes y las partículas coloidales migran a las superficies de las membranas, ensuciándolas u obstruyéndolas y reducen su eficiencia. Los resultados de planta piloto indican que la electrodiálisis es un método práctico, que puede remover hasta 50% de los compuestos inorgánicos disueltos desde efluentes provenientes de tratamientos secundarios, si se eliminan aquellas sustancias de mayores tamaños y/o coloidales (Vidalón, 2002). 1.3.3. Ósmosis inversa. Es un proceso que se realiza haciendo pasar el agua a través de una membrana porosa desde el lado del efluente contaminado hacia el agua limpia, mediante la aplicación de una presión. Esta técnica requiere de un pretratamiento para evitar que se obstruyan los poros de la membrana. El costo de operación es alto. Este proceso depende de la adsorción preferencial de agua sobre la superficie de la membrana, la cual está compuesta, generalmente, por acetato de celulosa. El 5.

(19) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. agua pura de la capa adsorbida es forzada bajo presión a través de los poros en la membrana(Arriagada et al., 1990). 1.3.4. Intercambio Iónico. Los iones metálicos son removidos mediante intercambio iónico con los iones no tóxicos de una resina, tales como H+ y Na+. Esta es una tecnología muy conocida y que ha demostrado su efectividad, pero requiere de alta inversión. 1.3.5. Adsorción. La adsorción es un proceso de separación, en el que algunos de los componentes presentes en una mezcla gaseosa o líquida son selectivamente transferidos a la superficie de un sólido. La sustancia en cuya superficie se produce la adsorción se llama adsorbente, y la sustancia extraída de la mezcla gaseosa o líquida se llama adsorbato. 1.3.5.1. Tipos de adsorción. La operación de adsorción depende de su reversibilidad para recuperar el adsorbente y de la recuperación de la sustancia adsorbida, pues el objetivo es la separación de la mezcla, por lo tanto, si la adsorción se va a utilizar como un proceso de separación, se trata de adsorción física, para que el proceso sea reversible. La adsorción física, o adsorción de Van der Waals resulta de las fuerzas secundarias de atracción (dipolo-dipolo y dipolos inducidos) entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida, y es similar en naturaleza a la condensación de moléculas de vapor en un líquido de la misma composición. Cuando las fuerzas son enlaces covalentes se aplica el término de adsorción química o quimisorción, la cual es difícil de revertir y generalmente tiene lugar con mayor lentitud que en la adsorción física. La quimisorción no puede, por sí misma, dar lugar a una capa de más de una molécula de espesor, debido a la especificidad del enlace entre el adsorbente y el adsorbato. Sin embargo, cabe que capas subsiguientes de varias moléculas puedan estar físicamente adsorbidas sobre la primera capa.. 6.

(20) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. La principal diferencia entre la adsorción física y la del tipo químico es la naturaleza del enlace que se forma entre la molécula adsorbida y la superficie del adsorbente. La adsorción química se caracteriza por una compartición de electrones entre el adsorbente y el adsorbato que da por resultado la liberación de una cantidad de calor que es igual al calor de reacción. A causa de la compartición de electrones con la superficie, los materiales químicamente adsorbidos se restringen a la formación de una monocapa. 1.3.6. Biosorción. La “biosorción”, se refiere a la captación de metales que lleva a cabo una biomasa completa (viva o muerta), a través de mecanismos físico-químicos como la adsorción o el intercambio iónico. Cuando se utiliza biomasa viva, los mecanismos metabólicos de captación también pueden contribuir en el proceso (Cañizares Villanueva, 2000). 1.4. Ejemplos de biomasas utilizadas como material biosorbente. (Basso and Cukierman, 2004) examinaron la de emplear palos de yerba mate y cáscaras de semilla de Mirabilis Jalapa con el fin de remover iones Cd (II) a partir de soluciones acuosas diluidas utilizadas como modelo de aguas contaminadas con bajas concentraciones de metales. Se encontró que las cáscaras de semilla resultan más eficientes que los palos de yerba en todo el rango de dosis y de concentraciones evaluadas. (Teixeira Tarley and Zezzi Arruda, 2004) refieren el uso de la cáscara de arroz con una excelente alternativa en la remoción de especies químicas como el Cd (II) y Pb (II) provenientes de efluentes. La caracterización física de este material señala la presencia de grupos funcionales como el carboxilato y el silanol, que hacen posibles el proceso de adsorción en la morfología del material. La patente cubana "Procedimiento de depuración de iones metálicos de aguas residuales", refiere el uso de carbón activado obtenido a partir de meollo de caña de azúcar para depurar aguas residuales contaminadas con cromo hasta. 7.

(21) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. concentraciones de 1 ppm con tiempos de contacto hasta de 1 hora y temperaturas de 10 a 40 oC. Esta patente refiere a otras patentes que tratan el uso de adsorbente naturales modificados de formas diferentes para mejorar sus propiedades adsorbentes. A continuación nos referimos a estos (Patente cubana, 1987), (Patente cubana, 1996). (Rasul Malika and Moosa Hasanyb, 2005) estudiaron el uso del tallo de girasol, con previo tratamiento químico, como material adsorbente para remover Cr3+ alcanzándose hasta un 85% de remoción. (Pérez Marín, 1983) ejemplificó la extracción de Indio y otros metales, con un porciento de remoción del 90%, utilizando meollo de caña de azúcar tratado como biosorbente. La disponibilidad y el bajo costo del bagazo de caña en Cuba, permite utilizarlo como biosorbente de metales pesados, pues las experimentaciones realizadas arrojaron como resultado la elevada activación con ácido sulfúrico. capacidad como biosorbente previa. 0.5 N con un consecuente proceso tecnológico. concebido para estos efectos (Rodríguez Rico, 2003) 1.5. Estudios en continuo. La mayor parte de los estudios sobre biosorción que reporta la bibliografía se han realizado en sistemas que trabajan en discontinuo, aunque desde un punto de vista práctico, los procesos de biosorción a gran escala se llevan a cabo de un modo continuo, generalmente en columnas de lecho fijo (Vijayaraghavan and Prabu, 2006). En estos sistemas, la concentración en la fase líquida y en la fase sólida varía tanto en el espacio como en el tiempo, por lo que el diseño y optimización de columnas de lecho fijo tiene especial dificultad si no se cuenta con un modelo de aproximación cuantitativo. En este sentido, el comportamiento dinámico de una columna de lecho fijo es descrito en términos de perfil “concentración de efluentetiempo”, es decir, lo que se conoce como curva de ruptura (Rodríguez Rico, 2003). 8.

(22) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. Una curva de ruptura típica es la que se muestra en la Figura: 1.1 y representa la relación entre las concentraciones de contaminante a la salida y a la entrada de la columna frente al tiempo o al volumen circulado. La zona de transferencia de materia es la superficie del lecho en la que ocurre la sorción. El fluido entra en la columna y circula a través de un lecho que no contiene soluto de forma que, cuando entra en contacto con el sorbente, el soluto es rápidamente retenido durante el primer contacto. Este fluido abandona la columna prácticamente libre de iones metálicos. Cuando el volumen de fluido comienza a atravesar la columna, empieza a definirse una zona de transferencia de materia que varía desde el 0% de la concentración inicial (correspondiente al sorbente sin soluto) hasta el 100% de la concentración inicial (correspondiente a la saturación total). De esta forma, cuando el metal ya no puede ser retenido completamente, comienza a aparecer en el fluido que abandona la columna. En el momento en que la concentración de metal en el efluente alcanza un determinado valor, generalmente relacionado con el límite de vertido permitido para ese metal, se llega al llamado punto de ruptura y se corresponde con un tiempo llamado tiempo de servicio o de ruptura, tr, que permite determinar el volumen de efluente tratado. A partir de este punto, la representación muestra la evolución de la concentración durante el tiempo de funcionamiento de la columna, lo que se corresponde con la llamada curva de ruptura.. Desde un punto de vista práctico, el tiempo al que ocurre la saturación, ts, se establece cuando la concentración en el efluente es superior a un valor comprendido entre el 90% y el 95% de la concentración inicial.. 9.

(23) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. Figura: 1.1 Onda de adsorción. 1.6. Diseño de columnas de adsorción por el método de la LUB de equilibrio. Un procedimiento que se aplica con amplitud en el diseño de columnas adsorbedoras es el descrito como método de concepto LUB/ equilibrio. En este método, el adsorbedor de lecho relleno se visualiza como compuesto por dos secciones, la sección de equilibrio y la sección LUB (longitud del lecho no utilizada). El tamaño de la sección se encuentra a partir de los datos de adsorción de equilibrio a la temperatura de diseño del lecho. La longitud de la sección de equilibrio representa la longitud del lecho más corta posible y se puede describir como la longitud estequeométrica, dado que el adsorbente en la sección de equilibrio del lecho se supone que se encuentra en equilibrio con el adsorbato en el fluido. El frente de onda estequeométrico se mueve a través del lecho como una función escalón (Treybal, 1980).. 10.

(24) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. El concepto de equilibrio no proporciona una estimación precisa de la longitud del lecho, ya que no se conoce la longitud de la zona de transferencia de masa. A causa de la presencia de dicha zona, todo el adsorbente detrás del frente de onda real no se encuentra a su máxima capacidad. Por lo tanto, se tiene que agregar una cantidad adicional de adsorbente al lecho para compensar la presencia de la zona de transferencia de masa. Esta cantidad equivalente de adsorbente se conoce como el LUB. El frente de onda estequeométrico relativo al frente de onda estable real se muestra en la figura 1.1. En esta figura tb se define como el tiempo que tarda en salir el extremo inicial de la curva de avance del lecho, tc es el tiempo en el que el extremo del frente de onda sale del lecho y ts es el tiempo en que saldría del lecho el frente de onda estequeométrico. El frente estequeométrico se halla igualando la capacidad del lecho no ocupada detrás del frente con la capacidad usada delante del frente. A partir de la figura 1.1 se encuentra el tiempo estequeométrico ajustando. ts hasta que las áreas indicadas por A y B sean. iguales. El avance inicial del frente de onda real relativo al frente estequeométrico es: LUB = L0 − LS. (Ec. 1.1). Donde: Lo: es la longitud del lecho total. Ls: es la distancia del frente estequiométrico que se ha movido a través del lecho. Las suposiciones importantes en las cuales se basa el concepto de la sección de LUB/equilibrio, son las siguientes: La retención del componente absorbible en los vacíos del absorbente es pequeña comparada con la carga de adsorbato de equilibrio. El régimen de flujo, temperatura y concentración de la alimentación son constantes. La temperatura, composición y velocidad no varían en la dirección radial. La temperatura del lecho y la carga del adsorbato inicial son uniformes. 11.

(25) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. Las temperaturas iniciales del lecho y de la alimentación son iguales. No se presentan reacciones químicas y la operación es isotérmica. La zona de transferencia de masa es estable. A cualquier tiempo, la longitud de la sección de equilibrio es Ls = u 't. (Ec. 1.2). Donde u' es la velocidad del frente de onda de transferencia de masa Para el tiempo tb, se tiene: LS = u 'tb. (Ec.1.3). En tb, el frente estequeométrico todavía no se ha movido a través de la longitud completa del lecho. En tS, la longitud del frente de onda estequeométrica saldrá del lecho y. LS = L0. Por lo que LS = u 't S = L0. (Ec.1.4). A partir de la ecuación (Ec.1.3) LUB = L0 − LS = u ' (t S − tb ). (Ec.1.5). ' y como LS = L0 = u t S , se tiene:. u' =. L0. tS. (Ec.1.6). Por lo tanto la longitud de lecho no usada es:. ⎛t −t ⎞ LUB = L0 ⎜⎜ S b ⎟⎟ ⎝ tS ⎠. (Ec.1.7). y la velocidad del frente de onda estequeométrico se obtiene de un balance de masa a través de la sección de equilibrio, el resultado es:. 12.

(26) Capítulo: I u' =. Revisión Bibliográfica. (. ) ). ∗ LS εU Z C A0 − C Ainic M A = tb ρ b q A∞ − q A0. (. (Ec.1.8). siendo: q A∞ =la capacidad de saturación del adsorbente M de soluto/M de sólido. q A0. = concentración inicial de soluto en el adsorbente M soluto/M de sólido.. C A0. = concentración del soluto a la entrada, en g mol/cm3. C ∗A. inic. ∝ = concentración de soluto en equilibrio con. q A0. MA = peso molecular del adsorbato 1.7. Criterios de escalado. Para aplicar el escalado a nivel de planta piloto se emplea la metodología propuesta por (Curbelo, 1997), la cual se basa en tomar en consideración los parámetros de operación del modelo, en función de las mejores condiciones a la cual opera el mismo. La metodología plantea que tanto para el modelo como para el prototipo se deben cumplir los siguientes principios: Existirá similitud geométrica. Existirá similitud térmica, pues el rango de temperatura de trabajo no varía. Las propiedades físicas del fluido se mantienen constantes para garantizar el régimen de transferencia de masa, existiendo similitud cinemática. Existirá similitud dinámica, dado que el Reynold es constante. El régimen de transferencia de masa se mantiene constante.. 13.

(27) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. Donde: L. Modelo Experimental (a nivel de laboratorio).. P. Modelo a escala de planta piloto.. e. Porosidad.. D ρ. Difusividad del cromo. Densidad del cromo.. μ. Viscosidad.. Q. Flujo de la solución.. A. Área de la columna.. υo. Velocidad del fluido a través de la cama.. K. Coeficiente de transferencia de masa.. H. Altura de la cama.. D. Diámetro de la columna.. Re. Número de Reynold.. ΔP. Caída de presión.. ψ. Esfericidad o factor de forma.. 1.7.1. Procedimiento a seguir: El modelo a escala de laboratorio y planta piloto serán iguales geométricamente, por lo que la relación. HL es constante e igual en cada sistema, cumpliéndose dc. que:. H L p dcp = . H L m dcm. (Ec.1.9). Las propiedades físicas del fluido no varían pues es el mismo en el laboratorio como en el escalado a planta piloto, por tanto;. ρ p μm . = ρm μ p. (Ec.1.10). El rango de temperatura no varía, por lo que se considera similitud térmica. 14.

(28) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. En operaciones de adsorción, absorción o reacciones catalíticas en lecho fijo o fluidizado, el escalado se efectúa sin variar el tipo de partícula, por lo que la naturaleza, dimensiones y porosidad se mantiene en ambos sistemas, por lo que se cumple que: Rem = Rep = constante. Re p = 1 = (Re ) Re m. Relación de parámetro entre el modelo y el prototipo.. (Ec.1.11). Al considerar los sistemas homólogos son semejantes geométrica y térmicamente, se cumple que:. υ o m = υ o p = constante. υo p = (υ o ) = 1 υo m. Relación de parámetro entre el modelo y el prototipo. (Ec.1.12). Significa que manteniéndose constante las dimensiones entre el modelo del laboratorio y el de la planta piloto así como las propiedades del fluido que circula a través de la columna y el tipo de partícula que se emplee como adsorbente, la velocidad superficial tiene que ser la misma para ambos sistemas. [Treybal, 1980]. Observe como influye esto en la ecuación de escala escogida: 0.5. k fap. 0.16 10.9 * F (1 − e ) ⎡⎢ D f ⎤⎥ ⎡ D f * ρ f ⎤ = ⎥ ⎢ dp *S ⎢ dp * F ⎥ ⎣ μ ⎦ S⎦ ⎣. Como F. k fap. S. (Ec.1.13). = μ o Luego sustituyendo en la ecuación siguiente:. 10.9(1 − e )υ o = dp. ⎡ Df ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ dp * υ o ⎦. k fap es función de. υo. 0.5. ⎡Df * ρ f ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ μ ⎦. υ o 0.5. 0.16. (Ec.1.14). y como υ o = 1 entonces ( k fap = 1 ) Relación de. parámetro entre el modelo y el prototipo, significa que el prototipo será igual al. 15.

(29) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. modelo en lo referente a transferencia de masa, siempre y cuando en esos sistemas sea igual la velocidad superficial (υ o ) . Caída de presión: Si se selecciona el primer término de la ecuación de Ergun:. μ *υ ΔP 150(1 − e ) = * 2 o2 3 HL e ψ * dp 2. (Ec.1.15). Manteniendo constante ψ , dp , μ y e se llega a la siguiente relación: ΔP es función de υ o HL. Lo que implica que el valor de caída de presión por unidad de longitud o altura del lecho, depende sólo de que se mantenga la misma velocidad de fluido, o lo que es lo mismo: ΔP sea función de H L * υ o y como υ o = 1 entonces ΔP solo depende de H L .. ΔPm ΔPp = H Lm H L p. (Relación de Escala). (Ec.1.16). Desarrollando el procedimiento y conociendo los datos del modelo, se pueden obtener los resultados para el prototipo. 1.8. Conclusiones parciales.. •. El vertimiento de metales pesados. como el. níquel a cuerpos de aguas. próximos a las Industrias que lo generan provocan afectaciones al medio ambiente,. a. los. organismos. vivos. causando. lesión. cutánea-mucosa,. enfermedades respiratorias agudas, enfermedades digestivas y cáncer.. •. La operación de adsorción constituye una tecnología apropiada para eliminación de elementos contaminantes de las aguas residuales industriales, y algunos de los adsorbentes como el carbón activado pueden regenerarse mediante tratamiento térmico.. 16.

(30) Capítulo: I •. Los. procesos de biosorción. Revisión Bibliográfica para la eliminación de metales pesados. contenidos en residuales líquidos a bajas concentraciones tiene el potencial para hacerlo de forma económicamente sustentable.. •. El escalado, desde laboratorio a nivel de planta piloto de sistemas de adsorción, requiere de información del laboratorio acerca del sistema a escalar.. 17.

(31) Capítulo: I. Revisión Bibliográfica. 18.

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(33) Capítulo II Capitulo II. Montaje a escala de laboratorio de un sistema de columnas con bagazo de caña de azúcar. En búsqueda de alternativas económicamente sustentable y ecológicamente sostenible para el proceso de remoción de metales pesados, en residuales líquidos, se procede a evaluar la adsorción de Níquel (II) en presencia de bagazo caña de azúcar sin modificar como biosorbente, en un sistema de dos columnas en continuo. 2.1- Montaje experimental. 2.1.1. Preparación del biosorbente. Se emplearon muestras de bagazo provenientes del Central Azucarero ubicado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara. El material se sometió a proceso de molido, mediante un molino de rotor de 6 paletas Modelo SR-2 Marca Restsh (Alemania), con velocidad de rotación de 1500 rpm, y posterior tamizado, utilizando una tamizadora Modelo MLW con un conjunto de tamices (SerieTyler) hasta diámetro comprendido de 1 – 0,5 mm. La Figura 2.1 corresponde a una muestra de bagazo natural la cual fue sometida a proceso de reducción de tamaño de partícula con el propósito de mejorarle su capacidad adsortiva.. 18.

(34) Capítulo II. Figura 2.1- Muestra de bagazo natural. 2.1.2. Preparación de las soluciones. Para realizar los experimentos, se preparó 5 L de solución de Cloruro de Níquel(II) a 21 ppm, utilizando Cloruro de Níquel [NiCl2] (p.a.) de Baker y agua destilada; para ajustar el pH inicial de la disolución a un valor de 4 se utilizaron cantidades adecuadas de disolución de HCl 0,1 M. A continuación, se describen las condiciones de operación adoptadas en el experimento. 2.1.3. Influencia del pH en el proceso de biosorción en continuo. Tomando en consideración la Figura 2.2. representativa de los diagramas de especiación del Níquel, a valores de pH inferiores a 6, la especie metálica Ni(II) se encuentra disuelta en la solución, a medida que se incrementa el valor de pH, la concentración del metal en disolución disminuye, debido a que precipita en forma de hidróxido (Puigdomenech, 1998). 19.

(35) Capítulo II. Figura 2.2. Diagrama de especiación de Ni (II) en función del pH (Alomá, 2006) refiere que al aplicar el método de deriva de pH al bagazo sin modificar químicamente, el punto de carga cero del biosorbente objeto de análisis se alcanza a un valor de pH de 5,5; según se muestra en la Figura 2.3; por lo que se considera que el proceso se realice a pH= 4. Se han realizado estudios en discontinuo que han demostrado lo anteriormente dicho, haciendo estudios a diferentes valores de pH, por (Alomá, 2006) lo que permitió escoger las condiciones de trabajo.. 20.

(36) Capítulo II. Figura 2.3. Determinación del pH del Punto de Carga Cero (pH pcc) al biosorbente a través del método de deriva de pH, con tamaño de partícula:1 - 0,5mm (Alomá, 2006) 2.1.4. Estudios en continuo. Para la realización de los experimentos de biosorción de Níquel (II) en continuo, se realizó el montaje de la instalación experimental que se describe en la Figura 2.4.. 21.

(37) Capítulo II. Figura 2.4. Esquema de Laboratorio de la remoción en continuo de solución de Ni(II) utilizando bagazo natural como biosorbente.. 2.1.4.1. Pruebas hidráulicas y selección de los parámetros de operación. Previo a la realización de los ensayos de adsorción se realizan las pruebas hidráulicas, donde se cargan dos columnas con Bagazo Natural y se le hace circular agua con el propósito de determinar los flujos más adecuados para las condiciones de operación establecidas.. 22.

(38) Capítulo II El flujo que se determinó en esta prueba, permite que la cama se mantenga estable, no fluidice, no se fragmente, y que no drene cuando cesa la operación, además de lograr una caída de presión adecuada. También se comprobó que el mejor flujo es el ascendente, de acuerdo a lo reportado por (Alomá, 2006). El caudal de alimentación seleccionado es de 2mL/min, según lo reportado. Para la selección de la altura de la cama se toman en cuenta los criterios de diseño (Treybal, 1980), que plantean que pueden ser de seis veces o más el diámetro interior de la columna. Las alturas de las camas corresponden a 15 cm cada una. La masa de bagazo que se utiliza es de 4 g, en cada columna, con un rango de diámetro de partícula comprendido entre 0,5 - 1 mm. 2.1.4.2. Cuantificación de las muestras. Se realizaron las corridas comenzando a tomar las muestras de cada columna con una frecuencia seleccionada(Alomá, 2006), hasta lograr la saturación del biosorbente. A las muestras tomadas se le determinó la concentración de níquel, con el objetivo de determinar el porciento de remoción de las columnas en serie, utilizando la técnica de absorción atómica, empleando para ello Pye Unicam SP9 PHILIPS Atomic Absorption Spectrophotometer. Chromium Analytical Line: 357,9 nm. Para realización de las lecturas, se construyó la curva de calibración empleando solución estándar de Níquel para preparar 50 mL de disolución patrón de la especie metálica objeto de estudio a 2; 4; 8; 10; 20 y 40 ppm, en cantidades que 23.

(39) Capítulo II se muestran en la Tabla 2.1. y que posteriormente se trasvasan a un matraz aforado de 50 mL y se enrasan hasta el aforo con agua desionizada.. Tabla 2.1. Cantidad de solución estándar de Níquel para preparar los patrones. Concentración de las muestras patrones. 2 4 8 10 20 40 (ppm) Volumen de estándar de Níquel (μL) 50 100 200 500 1000 2000. 2.2 Metodología 2.2.1. Preparación de las soluciones. Se preparó una solución de Cloruro de Níquel con una concentración inicial de 21 ppm, a pH= 4. Se cargaron dos columnas con 4,0 g cada una de bagazo sin modificar,. se hizo pasar el flujo con un caudal. de 2 mL/min en. forma. ascendente buscando las mejores condiciones de operación. El experimento tuvo una duración de 660 min, poniendo en marcha el cronómetro una vez que la disolución ha salido de la columna de relleno. Se han tomado muestras continuas con una periodicidad establecida. Se ha realizado un seguimiento del pH y del caudal a la salida de ambas columnas, para comprobar que las condiciones previas establecidas se mantenían y así, asegurar la correcta realización del experimento. Las muestras recogidas a la salida de las dos columnas se analizan para determinar el contenido de Ni (II) en las mismas. (Anexo 2). 24.

(40) Capítulo II 2.2.2. Cálculo de la superficie de lecho no utilizada. En estos sistemas, la concentración en la fase líquida y en la fase sólida varía tanto en el espacio como en el tiempo, por lo que el diseño y optimización de columnas de lecho fijo tiene especial dificultad si no se cuenta con un modelo de aproximación cuantitativo. En este sentido, el comportamiento dinámico de una columna de lecho fijo es descrito en términos de perfil concentración de efluente vs tiempo, lo que se conoce como curva de ruptura (Tenorio, 2006). En el presente trabajo se ha estudiado la biosorción de Níquel (II), utilizando dos columnas de lecho fijo descrita en la Figura 2.4, se aplicaron varios modelos que permiten describir la curva de ruptura y determinar los principales parámetros, se calculan por ecuaciones citadas en (Tenorio, 2006) que definen el comportamiento del proceso de biosorción objeto de estudio. El cálculo de la superficie de lecho no utilizada (Ecuación 2.5), constituye un método para evaluar la capacidad de adsorción de biosorbentes en columnas de flujo continuo. En todos los casos la onda de adsorción permite establecer el punto de ruptura, representado en la Figura 2.5; tiempo al cual es necesario detener la operación de las columnas y proceder al cambio del adsorbente. Es importante analizar que el punto de ruptura se fija a la concentración límite establecida por las normas medioambientales que rigen las concentraciones límites de vertimientos para iones de metales pesados.. 25.

(41) Capítulo II. Figura 2.5. Onda de adsorción.. 26.

(42) Capítulo II La longitud de lecho no utilizada se calcula mediante la ecuación 2.1. que se muestra a continuación,. ⎛t −t ⎞ SNU = L0 ⎜⎜ S b ⎟⎟ ⎝ tS ⎠. (Ec.2.1). Donde: Lo: representa la altura del lecho, [cm] ts: representa el tiempo al que se alcanza la saturación de la cama, [min] tb: representa el tiempo al que se alcanza el punto de ruptura de la cama, [min]. 2.2.3. Cálculo de la capacidad de adsorción del lecho. El área bajo la curva de ruptura, entre los límites apropiados, representa la cantidad total de metal retenido (o capacidad máxima de la columna), qtotal, en mg, para una determinada concentración de la alimentación y puede determinarse por integración.. q total =. Q t =t total CR dt ∫ t = 0 1000. (Ec. 2.2). CR : Concentración de metal retenido, [mg/L] Q : Caudal de alimentación, [mL/min]. 27.

(43) Capítulo II 2.2.4. Porciento total de remoción de metal pesado durante la operación de la columna: El porcentaje total de metal retenido durante la operación de la columna se obtendría como,. % Remoción =. q total 100 m total. (Ec. 2.3.). mtotal: Cantidad total de metal que pasa por la columna, [mg] . Luego:. mtotal =. Ci Q t total 1000. 2.2.5. Cálculo de la capacidad de adsorción y de la concentración de equilibrio en el lecho: Al igual que ocurre en los procesos que transcurren en discontinuo, los estudios de equilibrio en columna requieren del conocimiento del la capacidad de biosorción, qe (mg de metal sorbido/g de sorbente), y la concentración de metal que permanece en disolución cuando se alcanza el equilibrio, Ce (mg/L), y pueden ser determinados por las siguientes expresiones,. q eq = Ceq =. q total m. mtotal − qtotal Vef. (Ec 2.4.). (Ec. 2.5.). 28.

(44) Capítulo II 2.3. Criterios de escalado. 2.3.1. Metodología para el escalado de torres de adsorción. Para aplicar el escalado a nivel de planta piloto se emplea la metodología propuesta por (Curbelo, 1997) la cual se basa en tomar en consideración los parámetros de operación del modelo, en función de las mejores condiciones a la cual opera el mismo; la cual se describe en el capítulo I.. 2.4. Conclusiones Parciales. 1. Para el funcionamiento adecuado de las columnas de adsorción rellenas con bagazo natural con arreglo en serie, se establecen como parámetros de operación los siguientes: •. Que se trabaje a flujo ascendente, lo que facilita el proceso de biosorción de la especie metálica Níquel contenida en el efluente, garantizándose mayor contacto entre las fases.. •. El pH de las disoluciones de Níquel debe encontrarse a valor de 4, pues se logra la mayor remoción de la especie metálica frente al bagazo natural, por poseer este último el punto de carga cero a pH próximo a 5,5.. 2. La onda de adsorción permite establecer el tiempo de vida útil de la cama, que se alcanza al punto de ruptura que se fija tomando en consideración la norma de vertimiento, ISO NC 27; el modelo de. 29.

(45) Capítulo II Adams-Bohart puede ser empleado para representar la parte inicial de la curva. 3. El cálculo de la SNU/equilibrio permite determinar la superficie de cama no utilizada, la cual se plantea,. es proporcional al flujo de. alimentación.. 30.

(46)

(47) Capítulo III. Capitulo III. Análisis y discusión de los resultados. 3.1. Estudios de biosorción en columna. La mayor parte de los estudios sobre biosorción que aparecen en bibliografía se han realizado en sistemas que trabajan en discontinuo. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, los procesos de biosorción a gran escala se llevan a cabo de un modo continuo, generalmente en columnas de lecho fijo (Vijayaraghavan and Prabu, 2006). 3.1.1. Pruebas hidráulicas. Las condiciones de operación óptimas para el proceso de biosorción en continuo con arreglo de dos columnas en serie, permitieron establecer los parámetros de operación que se describen en la Tabla 3.1, que se muestra a continuación.. Tabla 3.1. Condiciones de operación de las columnas de biosorción en continuo. Tamaño de partícula: 1,0 - 0,5 mm. Altura de la cama (cm). 15,0. Masa de bagazo (g). 4,0. Flujo (mL/min). 2,0. Las condiciones antes descritas, propician que la cama se mantenga estable, no fluidice al paso del residual, no se fragmente, que no drene cuando cesa la operación, y que se logre una caída de presión adecuada. 3.1.2. Cálculo de los parámetros que definen el comportamiento del tratamiento en continuo. Con el flujo de 2,0 mL/min sucede que el bagazo se satura, en la primera etapa a los 420 minutos y alcanza el punto de ruptura a los 150 minutos, mientras en la segunda etapa se alcanza la saturación a los 480 minutos y el punto de ruptura a los 300 31.

(48) Capítulo III. minutos.; tal como se muestra en la Figura 3.1. Los resultados obtenidos se reflejan en la Tabla 3.4, tratándose un volumen de 1500 mL; alcanzándose remociones hasta de 90 %.. Figura 3.1. Onda de adsorción para soluciones de Níquel (II). Tabla 3.2. Principales parámetros que definen el comportamiento del proceso de biosorción. Punto de saturación Column.. Co/Ce[mg/L]. SNU [cm]. Vef [mL]. qtot [mg]. qe [mg/g]. mtot[mg]. %Remo.. 1. 21/19,7. 9,64. 840. 1,09. 0,273. 17,64. 6,19. 2. 0,38/18,9. 5,63. 960. 0,9. 0,22. 20,16. 4,48. Punto de ruptura Column.. qPr [mg/g]. qe [mg/g]. Ce [mg/L]. SNU [cm]. Vef [mL]. mtotal [mg]. % Remo.. 1. 5,46. 1,36. 2,78. 9,64. 300. 6,3. 86,7. 2. 10,24. 2,56. 1.89. 5,62. 600. 11,37. 90.03. 32.

(49) Capítulo III. 3.2. Modelo de Adams Bohart. Los datos experimentales se ajustaron al modelo de Adams-Bohart mediante regresión lineal, con objeto de comparar los resultados obtenidos. En la Tabla 3.3 se muestran los valores encontrados para los parámetros del modelo, kAB constante cinética [L/mg·min] y N capacidad máxima de sorción volumétrica [mg/L] (Tenorio, 2006). Este modelo supone que la velocidad de sorción es proporcional a la capacidad residual del sólido y a la concentración de la especie retenida y es usado para describir la parte inicial de la curva de ruptura. La expresión linealizada del modelo se representa por la siguiente ecuación:. ln. C Z = k AB C i t − k AB N 0 (Ec.3.1) Ci v Donde kAB es la constante cinética. [L/mg·min] N es la capacidad de sorción volumétrica. [mg/L] C es la concentración de soluto en la fase líquida. [mg/L] ν es la velocidad de flujo lineal. [cm/min] Z es la altura de relleno en la columna. [cm]. Sustituyendo en la. expresión linealizada (Ecuación 3.1) del modelo se obtiene la. siguiente ecuación:. ln. C Z = 26,289 * t − 65,289 * Ci v. (Ec.3.2). 33.

(50) Capítulo III. Tabla 3.3. Valores de las constantes obtenidas de los datos experimentales y su correspondiente ecuación lineal para el modelo de Adams Bohart. Regresión lineal Especie metálica Ci [ mg/L]. Ni (II). 24. kAB [L/mg·min] N0 [mg/L]. 1,0954. 4,5. R2. 0,9864. Como se pone de manifiesto por los valores de R2 obtenidos, el modelo de Adams Bohart reproduce de forma aceptable los parámetros experimentales. 3.3. Cálculo de los parámetros de la columna a escala de planta piloto. Para realizar el escalado de la propuesta a escala de planta piloto de las columnas de adsorción rellenas con Bagazo Natural, se toma como referencia la columna a escala de laboratorio aplicando la metodología establecida, la nomenclatura utilizada se refiere en el epígrafe 2.3 del capítulo II. 3.3.1. Cálculo de la altura de la cama del prototipo. Para cuando el modelo es 15 cm altura de la cama.. H L p dcp = (Ec.3.3) H L m dcm Sustituyendo en la Ecuación 3.3; y conociendo que el diámetro del modelo es 1,5 cm y del prototipo es 6,5 cm.. 34.

(51) Capítulo III. H L p 6,5cm = 15 1,5cm. donde. H L p = 65,00cm. cm 3.3.2. Cálculos de la Caída de Presión (Bueno, 1997). Para cuando la altura del lecho en el modelo es de 15 cm. Q= 2,0 mL/min. (3,33E-8m3/s). μ *υ ΔP 150(1 − e ) * 2 o 2 (Ec.3.4) = 3 HL e ψ * dp 2. Sustituyendo en la ecuación 3.4 uo =. 3,33 * 10 −8 m. 3. 1,766 * 10 − 4 m. −4. s = 1,89 *10 m 2. s. (Ec.3.5). Luego: −3 −4 m 2 150 * (1 − 0,5899) 0,8 * 10 Pas *1,89 * 10 s * 0,15m = 0,049 Pa ΔP = * 3 2 −2 2 0,5899 0,5 * (1,5 *10 ) m. (Ec.3.6). Para cuando la altura del lecho en el prototipo es de 65 cm. ΔPm ΔPp = H Lm H L p. (Relación de Escala). entonces: 0,049 Pa ΔPp = −2 1,5 *10 m 0,65m. (Ec. 3.7). Luego: ΔP = 2,12 Pa. 35.

(52) Capítulo III. Tabla 3.4. Parámetros de operación según la relación de escala. Para soluciones de Níquel (II) Modelo. Piloto. HL (m). 0,15. 0,65. dc (m). 0,015. 0,065. ΔP(Pa ). 0,049. 2,12. Q(m3/s). 3,33E-8. 3,31E-3. En la Tabla 3.4 se resumen los resultados del escalado del modelo de columnas rellenas con bagazo de caña de azúcar natural,. utilizadas en el laboratorio. Las. dimensiones del prototipo tienen valor según rangos establecidos, siendo el valor de la altura del lecho de 15cm, el prototipo es de 65 cm. (Anexo 3) Además se determinó, mediante la relación de escala establecida, la caída de presión que proporciona el lecho para las alturas que se plantean, tal como se reporta en la tabla 3.4. Las mismas tienen valores bajos lo cual puede atribuirse a la baja densidad y alta porosidad del relleno. 3.3.3. Cálculo de la masa de bagazo que se necesita en la planta piloto. Para cuando la altura del lecho es de 65 cm. ρBSM = 0,3333 g/cm3 (333,3 Kg./m3); calculado experimentalmente. V BSM = A * h. (Ec.3,8). Sustituyendo en (Ec.3,8) V BSM = 0,000174 m2 * 0,65 m V BSM = 0,000114 m3 mBSM = 0,0379 kg 36.

(53) Capítulo III. 3.4. Análisis económico preliminar. El análisis económico de una producción industrial, constituye un estudio complejo de cada uno de los eslabones que también contribuyen a la actividad económicoproductiva, siendo una de las funciones de la organización y dirección científica de la producción. Dicho análisis, permite determinar si la inversión proyectada es capaz de satisfacer los requerimientos que la han originado y si es o no, económicamente factible, valorando objetivamente los resultados. [González Suarez. E., González Rodríguez. V., 1987]. Por todo ello, se procede a realizar la valoración económica de la planta piloto que se muestra en la figura 3.2 anterior, todas las columnas son iguales. Esto para lograr un proceso continuo en la escala piloto propuesta en el presente capitulo.. .. Figura 3.2 Propuesta de escalado a escala piloto. 37.

(54) Capítulo III. 3.4.1. Cálculo de la inversión. Con el propósito de calcular la inversión correspondiente al escalado a planta piloto de la columna de adsorción rellena con BQM se procede a aplicar la metodología propuesta por [Peters. M.S., Timmerhaus, K.D., 1968.] Costo total = Costo operación +Costo Fijo (Ec.3.8) Costos de Adquisición =Costo de tanques + Costo de la columna + Costo de tuberías y accesorios.. (Ec.3.9). Costo Fijo = Costo de adquisición + Costo de instalación. (Ec.3.10) Costo de instalación = Costos de Adquisición * 0,35. (Ec.3.11). Costo de operación = Salarios + Laboratorios + Adsorbente. (Ec.3.12). Para calcular los indicadores de costo nos basamos en los datos que se muestran en las tablas 3.5 y 3.6.. Tabla 3.5. Indicadores para el cálculo del costo de adquisición. Insumos Tanque de acero. (V = 0,677 m3 ) Columna de material plástico. ( L= 1,00 m) Aislante(PVC), ( 3,52 m2). C. Unitario Cantidad. Costo. Fuente. 33,05 MN. 1U. 33,05 MN. Consuminport.. 6,50 MN. 3U. 19,50 MN. Consuminport.. 3,914 m2 62,624 MN. Consuminport.. 16 MN/m2. Válvulas.. 0,45 MN. 3U. 1,35 MN. Consuminport.. Codos. (900). 0,77 MN. 9U. 6,93 MN. Consuminport.. T. 0,62 MN. 2U. 1,24 MN. Consuminport.. 1,50MN/6 m. 7m. 6,86 MN. Consuminport.. Tuberías (3/8"). 38.

(55) Capítulo III. Sustituyendo en la Ecuación 3.9 Costos de Adquisición = 131,55 $. Sustituyendo en la Ecuación 3.7: Costo de instalación =(131,55 $) * 0,35 = 46,04 $. Sustituyendo en la Ecuación 3.10: Costo Fijo = (131,55+46,04) $ = 177,59$. En el laboratorio se realizan dos análisis diarios para la determinación de la concentración del metal pesado en el efluente; para ello se utiliza la técnica de espectrofotometría de absorción atómica. Su costo asciende a 10,166 $/ análisis.. Tabla: 3.5.1. Cálculo del costo de operación para 1 mes de trabajo: Salario:. 560,00 $. Análisis:. 487.968 $. Bagazo. 0,014 $/carga 0,072 $. Natural: En un turno de trabajo de 8 horas, se utilizan cinco cargas de bagazo. Costo de operación = (560,00 + 487,968 + 0,072)$ = 1 047,75 $. Tabla 3.6. Indicadores para el cálculo del costo de operación. Insumos. C. Unitario Cantidad Valor Mensual. Fuente. Técnico de Laboratorio(salario). 1,80 $/h. 1. $343,00. Dpto. RRHH.. Operario. (salario). 1,47 $/h. 2. $560,00. Dpto. RRHH.. Bagazo Natural. 0,02 MN/kg 4,0. 1,44 MN. C Producción 39.

(56) Capítulo III. Sustituyendo en la ecuación 3.8.: Costo total = (1 047,75 + 177,59)$. = 1 225,34 $ 3.4. Conclusiones Parciales. •. Aplicando la metodología propuesta por [Curbelo. T., 1997] para el escalado se calcularon los principales parámetros de las columnas de adsorción a escala de planta piloto.. •. Las caídas de presión en las columnas utilizadas a nivel de laboratorio y el escalado a planta piloto tienen valores que se corresponden con la alta porosidad y la baja densidad del biosorbente.. •. Al aprovechar la gravedad como medio de transporte del fluido, la evaluación económica reporta que la inversión es baja; y el costo de operación es quien mayor peso tiene en el costo total.. 40.

(57)

(58) Conclusiones. Conclusiones: •. El estudio hidrodinámico en las columnas rellenas con bagazo natural a escala de laboratorio permitió corroborar que las mejores condiciones de operación son: flujo ascendente, altura del relleno 15 cm y diámetro de la partícula 1,0 – 0,5 mm.. •. Se obtuvieron las ondas de adsorción para las dos columnas arregladas en serie, lo que posibilitó determinar los tiempos de agotamiento de las camas, alcanzándose en el punto de ruptura niveles de concentración inferiores a lo establecido por las normas de vertimiento.. •. Se determinó el costo total de la propuesta de escalado a nivel de planta piloto, observándose que el mayor peso lo tiene el costo de operación, determinado por el uso de espectrometría de absorción atómica para cuantificar los resultados de la biosorción de metal, salarios y consumo de materias primas.. •. El escalado a nivel de planta piloto del sistema de adsorción. en continuo. utilizando como relleno de la cama bagazo de caña de azúcar natural, a partir de la información brindada por los resultados a nivel de laboratorio demostró que la propuesta tecnológica es económicamente factible.. 41.

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(60) Recomendaciones. Recomendaciones:. •. Que se continúen realizando estudios de remoción en continuo, utilizando alternativamente otros materiales biosorbentes además del material objeto de estudio.. •. Que se potencie el uso de arreglos en serie – paralelo, con 3 columnas con bagazo natural como relleno de las camas.. •. Que se continúe estudiando el proceso de biosorción n continuo empleando otras especies metálicas en soluciones homoiónicas y multiiónicas, con el propósito de evaluar las variables más influyentes en el proceso, interactuando con la selectividad del biosorbente.. 42.

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(62) Bibliografía Bibliografía: 1. ALOMÁ, V. I. C. (2006) Evolución de la operación de Adsorción de metales pesados empleando columnas rellenas con bagazo de caña químicamente modificado y propuesta de escalado a nivel de planta piloto. Departamento de IQ. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas". 2. ARRIAGADA, R., GARCÍA, R. & CID, R. (1990) Retención de Cr (III) y Hg (II) en zeolitas. Influencia de la naturaleza de la zeolita y de variables de proceso. 3. ARRIAGADA, R., GARCÍA, R. & CID, R. (1990-9) Retención de Cr (III) y Hg (II) en zeolitas. Influencia de la naturaleza de la zeolita y de variables de proceso. 4. BASSO, M. C. & CUKIERMAN, A. L. (2004) Biosorción de especies metálicas a partir de aguas contaminadas empleando recursos lignocelulósicos. 5. BRUNAUER, S., EMMET, P. H. & TELLER, E. (1938-9) Adsorption of gases in multimolecular layers. 6. BUENO, J. (1997) Contaminación e Ingeniería Ambiental. Contaminación de las aguas. III. 7. CAÑIZARES VILLANUEVA, R. O. (2000) Biosorción de metales pesados mediante el uso de biomasa microbiana. 42, 131-143. 8. CRISTOBAL, S. (1997-11) Proyecto Industria del Cuero en el Uruguay Tratamiento del Cromo Residual. 9. CURBELO, T. (1997) Características de la aplicación del escalado en la Ingeniería Química. 10. ECHEVARRÍA, S., MIECHKOVSKI, S., PEREIRA VERA, R., DEL TORO, D. R. & RODRÍGUEZ, H. R. (1996-12) Adsorbente para la eliminación y recuperación Hg (II), Pb, Cd, Cu Y Ag de aguas contaminadas.. 43.

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(65) Bibliografía 37. VIJAYARAGHAVAN, K. & PRABU, D. (2006) Potencial of Sargassum wightii biomass for copper (II) removal from aqueous solutions: application of the different mathematical models to batch and continuous biosorption data, Journal of Hazardous Materials. 38. VILLEGAS AGUILAR, P. J., MEDINA ALVAREZ, B. F. & BUCKI WASSERMAN, B. (2001-21) Preparación de carbones activados a partir de fuentes renovables. 39. VOLESKY, B. (1986-4) Biosorbent Materials, Biotechnoi. Bioeng Symp. 40. VOLESKY, B. & HOLAN, Z. R. (1995-5) Accumulation of cadmium. 41. WEI, M. & J M, T. (2004-6) Determination and modelling of effects of pH on peat biosorption of chromium. 42. WEI, M. & J M, T. (2004-22) Determination and modelling of effects of pH on peat biosorption of chromium. 43. ZÜMRIYE, A. & FERDA, G. (2004-23) Biosorption of phenol by immobilized activated sludge in a continuous packed bed: prediction of breakthrough curves.. 46.

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(67) Anexos Anexo: I. NIQUEL Especiación y toxicidad. Nombre registrado: Níquel Nombre químico: Níquel Sinónimos, nombres comerciales: Nombre químico (alemán): Michel Nombre químico (francés): Michel Nombre químico (inglés): Michel Aspecto general: Metal pesado, de un brillante color blanco plateado, dúctil y maleable, con una densa red cristalina cúbica (beta-níquel) o con una configuración hexagonal menos estable (alfa-níquel). El uniquely es levemente ferromagnétic. Datos físico-químicos básicos Símbolo químico:. Ni. Masa atómica relativa:. 58,71 g. Densidad:. 8,9 g/cm3 a 25. Punto de ebullición:. 2 730 C. Punto de fusión:. 1 455 C. Presión de vapor:. 0 Pa a 20 C. Temperatura de ignición:. Autoignición ("Raney nickel" en estado seco). Solvólisis:. En agua: insoluble; se disuelve en ácido hidroclórico y sulfúrico así como en ácido nítrico diluido.. C.

(68) Anexos TOXICIDAD Mamíferos: Ratas. DLmín 12 mg/kg, intraperitoneal. s.ULLMANN, 1981. Ratones. DLmín 50 mg/kg, intravenoso. s.ULLMANN, 1981. Conejillos de Indias. DLmín 5 mg/kg, oral. s.ULLMANN, 1981. Perros. DLmín 10 mg/kg, intravenoso. s.ULLMANN, 1981. Peces. CL100 5-50. s.ATRI, 1987. Larvas de peces, alevinos. CL50 0,1-5 g/l. Pulgas acuáticas. 0,1-5. Organismos acuáticos: g/l (24-96 h). s.ATRI, 1987. g/l 1). s.ATRI, 1987. Plantas: Diversas especies. 20-30 mg/kg, reducción del rendimiento. s.BAFEF, 1987. Cebada joven. 11-13 mg/kg, reducción del rendimiento. s.BAFEF, 1987. Nota: 1) Cuanto menor sea la dureza por carbonatación del agua, tanto menores serán los valores de la toxicidad. ESTÁNDARES AMBIENTALES Medio/ Ámbito País/or- Status Valor Norma Observaciones Fuente receptor ganismo Agua: Agua pot.. RFA. L. 0,05 mg/l. TVO, 1986. Agua pot.. CE. G. 0,05 mg/l. s.LAU-BW3), 1989. Agua pot.. OMS. G. 0,1 mg/l. s.TEBBUTT, 1983. Aguas Suiza superf.. L. 0,05 mg/l. s.LAU-BW. 1989. Aguas RFA superf.. G. 0,03 mg/l. 1). DVGW, 1975. Aguas RFA superf.. G. 0,05 mg/l. 2). DVGW, 1975.

(69) Anexos Aguas EEUU superf.. (L). 1 mg/l. estado de Illinois. s.WAITE, 1984. Agua EEUU marina. G. 0,1 mg/l. nivel de riesgo. EPA, 1973. Agua EEUU marina. G. 0,002 mg/l. riesgo mínimo. EPA, 1973. Aguas RFA(HH) G subterr.. 0,02 mg/l. estudios adicionales. s.LAU-BW, 1989. Aguas RFA(HH) G subterr.. 0,2 mg/l. estudios p/saneam.. s.LAU-BW, 1989. Aguas P. Bajos G subterr.. 0,015 mg/l. recomendación s.TERRA TECH 6/94. Aguas P. Bajos L subterr.. 0,075 mg/l. intervención. s.TERRA TECH 6/94. Aguas EEUU subterr.. (L). 1 mg/l. estado de Illinois. s.WAITE, 1984. Aguas serv.. Suiza. (L). 2 mg/l. 4). s.LAU-BW, 1989. Aguas serv.. RFA(BW) (G). 3 mg/l. s.LAU-BW, 1989. Agua EEUU p/riego. 0,2 mg/l. 12). EPA, 1973. Agua EEUU p/riego. 2 mg/l. 13). EPA, 1973.

(70) Anexos. Anexo 2. Efecto de la adsorción de Niquel (II), para una altura de 15 cm y una concentración de 21 ppm. [Ni (II)]salida Columna contacto,min 1 0 0 15 0.01809524 30 0.0047619 45 0.00285714 60 0.00142857 75 0.00190476 90 0.00333333 120 0.02 150 0.13238095 180 0.35619048 210 0.59761905 240 0.69047619 270 0.77619048 300 0.81428571 330 0.82 360 0.85380952 390 0.88238095 420 0.95 450 0.94761905 480 0.94761905 510 0.94761905 540 0.94761905 570 0.94761905 600 0.94761905 Tiempo de. [Ni (II)]salida Columna 2 0.5 0.6 0.66666667 1 0.5 0.42857143 0 0 0 0.00398406 0.01793103 0.04294479 0.11052632 0.22357724 0.46569994 0.66109012 0.75789474 0.86281407 0.94723618 1.00100503 1.0201005 1.03969849 1.05075377.

(71) Anexos. Anexo: 3. Prototipo de columna de adsorción, según criterios de escalado..

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