UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE

PRE TRATAMIENTO DE AGUA DE POZO EN UNA PLANTA LÁCTEA EN PILCOMAYO

Presentado por:

FERNANDEZ BACA BARRIENTOS, Raúl Alfonso INDIGOYEN RAMIREZ, Jheremy Eloy

Tesis

Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico Ambiental

HUANCAYO - PERÚ 2023

INFORME N° 003-2023-EFIA-FIQ-UNCP

A : Dra. JUANA MARÍA MENDOZA SÁNCHEZ

Decana (e) de la Facultad de Ingeniería Química

DE : Ms. EVER FLORENCIO INGARICA ALVAREZ

Docente Asesor de Tesis – Facultad de Ingeniería Química – UNCP ASUNTO : REPORTE DE SIMILITUD DE CONTENIDO (TURNITIN)

FECHA : Huancayo, 20 de marzo de 2023

Mediante el presente me dirijo a usted para saludarle y la vez hacer de su conocimiento, que después de haber procedido a la verificación de similitud con el TURNITIN en cumplimiento a la Ley Universitaria N° 30220, Estatuto de la UNCP, Reglamento de investigación y la Resolución N° 2064-CU-2017 del Código de Ética de Investigación de la UNCP, el resultado fue el siguiente:

TÍTULO DE TESIS TESISTA RESULTADO DE SIMILITUD

“EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE PRE TRATAMIENTO DE AGUA DE POZO EN UNA PLANTA LÁCTEA EN PILCOMAYO”

• FERNANDEZ BACA BARRIENTOS, RANÚL ALFONSO

• INDIGOYEN RAMIREZ, JHEREMY ELOY 11 %

Lo cual se informa a usted para los fines correspondientes. En consecuencia, recomiendo que los (las) tesistas continúen con sus trámites correspondientes.

Agradeciendo su atención especial al presente me despido reiterándole mi estima personal.

Atentamente.,

___________________________________

Ms. EVER FLORENCIO INGARUCA ALVAREZ DOCENTE - ASESOR

cc. Archivo.

11 %

INDICE DE SIMILITUD

10 %

FUENTES DE INTERNET

1 %

PUBLICACIONES

6 %

TRABAJOS DEL ESTUDIANTE

1 3 %

2 2 %

3 1 %

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5 1 %

6 1 %

7 1 %

8 < 1 %

Tesis Raul Fernandez

INFORME DE ORIGINALIDAD

FUENTES PRIMARIAS

Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru

Trabajo del estudiante

hdl.handle.net

Fuente de Internet

repositorio.uncp.edu.pe

Fuente de Internet

Submitted to Universidad Continental

Trabajo del estudiante

www.dspace.espol.edu.ec

Fuente de Internet

1library.co

Fuente de Internet

Submitted to Escuela Politecnica Nacional

Trabajo del estudiante

Submitted to Universidad Politécnica Estatal de Carchi

Trabajo del estudiante

9 < 1 %

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17 < 1 %

communities.unep.org

Fuente de Internet

dokumen.pub

Fuente de Internet

Sandra Liliana Chaparro Alba. "EVALUACIÓN DE TÉCNICAS PARA LA REDUCCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS

SEDIMENTABLES EN LOS VERTIMIENTOS

PRODUCIDOS EN LA MINERÍA DE CARBÓN EN EL MUNICIPIO DE GUACHETÁ,

CUNDINAMARCA", Ingeniería Investigación y Desarrollo, 2021

Publicación

Submitted to Universidad Técnica de Machala

Trabajo del estudiante

txucorp.com

Fuente de Internet

www.somers-ac.org

Fuente de Internet

repositorio.continental.edu.pe

Fuente de Internet

Submitted to CONACYT

Trabajo del estudiante

qdoc.tips

Fuente de Internet

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22 < 1 %

23 < 1 %

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25 < 1 %

Excluir citas Activo Excluir bibliografía Activo

Excluir coincidencias < 15 words

Stanford Mutemi, Zvikomborero Hoko,

Hodson Makurira. "Investigating feasibility of use of bio-sand filters for household water treatment in Epworth, Zimbabwe", Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 2020

Publicación

lookformedical.com

Fuente de Internet

repositorio.untels.edu.pe

Fuente de Internet

www.filter-outlet.eu

Fuente de Internet

ecosur.repositorioinstitucional.mx

Fuente de Internet

es.scribd.com

Fuente de Internet

repositorio.upeu.edu.pe

Fuente de Internet

renati.sunedu.gob.pe

Fuente de Internet

ii TITULO

EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE PRE TRATAMIENTO DE AGUA DE POZO EN UNA PLANTA LÁCTEA

EN PILCOMAYO

iii NOMBRE DEL ASESOR

Ms. Ever Florencio Ingaruca Alvarez

iv DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi madre por su apoyo incondicional y su ejemplo de superación el cual catalizaron mis deseos de superación.

Fernandez Baca Barrientos Raul Alfonso.

A mis padres Lazaro y Marlene quienes estuvieron siempre brindándome todo su amor, apoyo incondicional y nunca dejar que desista de mis metas, a mis abuelos Marcelo, Dominga y Alejandro que me ven desde el cielo y guían el camino por cual debo seguir.

A mi abuela Julia que, aunque por momentos no le queda fuerzas ella siempre muestra una sonrisa reconfortante, a mis hermanos Ronald y Karem que me enseñaron con el ejemplo de que ninguna situación es imposible de afrontar si nos tenemos el uno al otro.

Indigoyen Ramirez Jheremy Eloy

v AGRADECIMIENTO

A Dios por permitirnos estar con vida, ya que la coyuntura nos dejó sin algunos seres queridos, agradecidos también por darnos la fuerza y valentía para llegar al término este trabajo de investigación. A nuestros padres por darnos ese aliento que por veces nos faltaba. Al Ing. Miguel Quinto Miranda por facilitarnos el tema de tesis, con su gestión se logró obtener el principio de este trabajo de investigación. Al señor David Javier García Puente por el apoyo en la obtención de los módulos que se trabajaron para la realización del proceso experimental de este proyecto.

A todos los que confiaron en nosotros siempre y nunca se cansaron de brindarnos su ayuda.

vi RESUMEN

El objetivo de este estudio fue evaluar la eficiencia del filtro multimedia, filtro de carbón activado y filtro ablandador de un sistema de tratamiento de agua de pozo de la planta láctea del distrito de Pilcomayo en función de una presión (10 psi, 15 psi y 20 psi) y flujo (3 gpm, 4 gpm y 5 gpm), para ello se realizó la caracterización fisicoquímica del agua de pozo, donde se tuvo un valor de 28 PCU escala Pt/Co para el color, una turbidez de 35 UNT y la dureza de 480 mg CaCO3/L. Trabajando a presiones de 10 psi, 15 psi y 20 psi, donde a una presión de 15 psi es la óptima para los tres filtros, con una remoción del 97,58 % para el filtro de carbón activado, 97,34 % para el filtro ablandador y un 97,90 % para el filtro multimedia, trabajando a flujos de 3 gpm, 4 gpm y 5 gpm, donde el flujo necesario fue de 4 gpm para los tres filtros, con una remoción del 97,71 % para el filtro de carbón activado, 97,80 % para el filtro ablandador y un 97,83 % para el filtro multimedia y por ultimo a una presión de 15 psi y un flujo de 4 gpm fueron los niveles óptimos para alcanzar la mejor eficiencia del filtro de carbón activado con un 98,67 %, para el filtro ablandador de 99,48 % y por ultimo para el filtro multimedia de 98,87 %.

Concluyendo que la variación de la presión y flujo mejora la eficiencia de los filtros.

Palabra clave: color, turbidez, dureza, filtro ablandador, de carbón activado y multimedia.

vii INTRODUCCIÓN

La industria utiliza el agua de muchas formas: para limpiar, calentar y enfriar y generar vapor, como disolvente y para transportar sustancias disueltas, y como parte constituyente del propio producto industrial. La extracción de agua para la industria suele ser mucho mayor que la cantidad realmente consumida. Tras un gran crecimiento entre 1960 y 1980, la extracción de agua para la industria en todo el mundo se ha estabilizado más o menos;

cayendo en Europa y aumentando de manera constante, pero no tan rápido como antes, en Asia. En áreas donde los recursos hídricos superficiales son escasos, el agua subterránea se utiliza para satisfacer la demanda industrial (Gracia-de-Rentería et al., 2020).

Uno de los parámetros importantes en los procesos industriales es la calidad del agua de alimentación, la cual debe estar en buenas condiciones para mantener la eficiencia de los equipos, por ejemplo si el agua es muy dura generará incrustaciones en las tuberías reduciendo el flujo y aumentando la caída de presión, además puede reducir la efectividad de transferencia de calor o corroes las torres de enfriamiento, en el caso de las calderas puede formar sarro en la superficie de los tubos generando corrosión y sobrecalentamiento, todo lo mencionado conlleva a elevados costos de operación causando pérdidas económicas por las fallas mecánicas de los equipos y problemas de mantenimiento (Arachchige y Sandupama, 2019).

Respecto a la industria láctea, esta consume grandes cantidades de agua y genera grandes cantidades de aguas residuales, la mayoría de las plantas lácteas consumen de 1 m³ a 10 m³ de agua por cada metro cúbico de producción de leche. Las formas más importantes de uso del agua en la industria láctea consisten en los procesos tecnológicos, los sistemas de limpieza, los sistemas de enfriamiento, los generadores de vapor. Dependiendo de la calidad del agua y de los requisitos técnicos de uso, esta agua tiene que ser posteriormente ajustado para adaptarse a diferentes necesidades, tales como la eliminación de color, ablandamiento o la adición de cloro para reducir al mínimo el recuento de potencial microorganismos de deterioro, o el uso de radiación ultravioleta, por ejemplo, para desinfectar el agua almacenada directamente antes de usarla como ingrediente. El agua, al igual que los alimentos, puede ser un vehículo potencial para la transmisión directa de agentes patógenos provocando importantes brotes de enfermedades tanto en países desarrollados como en desarrollo (Boguniewicz-Zablocka et al., 2019).

viii Asimismo, cabe mencionar que en el mundo alrededor del 97 % del agua de las plantas lecheras se extrae de pozos propios y sus niveles de consumo de agua están determinados por la producción y las tecnologías aplicadas. Tomando en cuenta todo lo mencionado en la presente investigación se evaluará la eficiencia de un sistema de pre tratamiento de agua de pozo en planta láctea en el distrito de Pilcomayo en función de la presión y flujo como condiciones de operación principales

Este trabajo de investigación consta de 3 capítulos donde el capítulo I nos da toda la información referente a términos teórico y antecedentes de investigaciones similares a las nuestra, el capítulo II nos da a conocer toda la parte experimental que se realiza para llegar a consolidar el trabajo de investigación, así como los materiales y equipos que fueron necesarios en el proceso, el capítulo III nos da a conocer toda la parte del tratamiento y discusión de los resultados obtenidos en el tratamiento de agua de pozo de la planta láctea del distrito de Pilcomayo en función de una presión y flujo.

ix OBJETIVOS

Objetivo general:

Evaluar la eficiencia de un sistema de Pre Tratamiento de agua de pozo en una planta láctea en Pilcomayo.

Objetivos específicos:

• Realizar una caracterización fisicoquímica al agua de pozo.

• Evaluar la presión óptima que mejore la eficiencia del filtro multimedia, de carbón activado y del ablandador en un sistema de tratamiento de agua de pozo en una planta láctea en el distrito de Pilcomayo.

• Determinar el flujo necesario para incrementar la eficiencia del filtro multimedia, de carbón activado y del ablandador en un sistema de tratamiento de agua de pozo en una planta láctea en el distrito de Pilcomayo.

x SIMBOLOGIA UTILIZADA

CE: Conductividad eléctrica OD: Oxígeno disuelto BSF1: Medios filtrantes

UFC: Unidades formadoras de colonias UNT: Unidad Nefelométrica de turbidez GAC: Carbón activado granular

NOM: Materia orgánica DBP: Desinfección de cloro

OMS: Organización mundial de la salud SST: Sólidos suspendidos totales UC: Uniformidad grande

xi INDICE DE CONTENIDO

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTO v

RESUMEN vi

INTRODUCCIÓN vii

OBJETIVOS ix

SIMBOLOGIA UTILIZADA x

INDICE DE CONTENIDO xi

ÍNDICE DE TABLAS xiv

ÍNDICE DE FIGURAS xv

CAPÍTULO I 16

1. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 16

1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN: 16

1.2. MARCO TEÓRICO 19

1.2.1. Aguas subterráneas 19

1.2.2. Sistema de pre tratamiento de agua 21

1.2.3. Filtros multimedia 22

1.2.4. Filtros de carbón activado 24

1.2.5. Ablandador 28

1.3. MARCO CONCEPTUAL 32

1.3.1. Dureza 32

1.3.2. Turbidez 33

1.3.3. Filtración: 33

1.3.4. Carbón activado: 33

1.3.5. Resina de intercambio iónico: 33

CAPÍTULO II 34

2. PARTE EXPERIMENTAL 34

xii

2.1. METODOLOGÍA 34

2.2. DISEÑO EXPERIMENTAL 34

2.3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 35

2.3.1. Materiales 35

2.3.2. Reactivos 36

2.3.3. Equipos 36

2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 36

2.4.1. Monitoreo de las aguas de pozo 36

2.4.2. Evaluación de la presión y el flujo de operación del sistema de tratamiento 37

2.4.3. Determinación de la velocidad de filtración del filtro multimedia 37 2.4.4. Determinación de la velocidad de filtración del filtro de carbón activado 39 2.4.5. Determinación de la velocidad de filtración del ablandador 41 2.4.6. Balance hídrico del flujo de agua en la planta láctea 43

CAPÍTULO III 45

3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 45

3.1. Resultados 45

3.1.1. Caracterización fisicoquímica del agua de pozo 45 3.1.2. Presión optima en el mejoramiento de la eficiencia del filtro

multimedia, carbón activado y del ablandador en el tratamiento de agua

de pozo 45

3.1.3. Flujo necesario para el mejoramiento de la eficiencia del filtro

multimedia, carbón activado y del ablandador en el tratamiento de agua

de pozo 50

3.1.4. Velocidad de filtración del filtro de carbón activado, multimedia

y ablandador en el tratamiento de agua de pozo 54 3.1.5. Eficiencia del filtro multimedia, filtro de carbón activado y

filtro ablandador de un sistema de tratamiento de agua de pozo de la planta láctea del distrito de Pilcomayo en función de una presión y flujo 54

xiii

3.2. Discusión de resultados 58

3.2.1. Características fisicoquímicas del agua de pozo 58 3.2.2. Presión óptima en el mejoramiento de la eficiencia de los filtros. 58 3.2.3. Flujo necesario para el mejoramiento de la eficiencia de los filtros 59 3.2.4. Eficiencia del filtro multimedia, filtro de carbón activado y

filtro ablandador de un sistema de tratamiento de agua de pozo 59

3.3. Contrastación de hipótesis 62

3.3.1. Contrastación de las hipótesis especificas 66

3.3.2. Contrastación de la hipótesis general 70

CONCLUSIONES 72

RECOMENDACIONES 73

BIBLIOGRAFÍA 74

ANEXOS 77

xiv ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Niveles de las variables 34

Tabla 2 Matriz de diseño experimental 34

Tabla 3: Parámetros de calidad organoléptica 37

Tabla 3: Balance hídrico del flujo de agua en la planta láctea 43 Tabla 5: Caracterización inicial del agua de pozo 45 Tabla 6: Color final del agua de pozo tratado en el filtro de carbón activado 46 Tabla 7: Variación de la presión en el filtro de carbón activado 46 Tabla 8: Turbidez final del agua tratada en el filtro multimedia 47 Tabla 9: Variación de la presión en el filtro multimedia 48 Tabla 10: Dureza final del agua tratada en el ablandador 49 Tabla 11: Variación de la presión en el filtro ablandador 49 Tabla 12: Variación del flujo en el filtro de carbón activado 50 Tabla 13: Variación del flujo en el filtro multimedia 52 Tabla 14: Variación del flujo en el filtro ablandador 53 Tabla 15: Velocidad de filtración para el filtro de carbón activado, multimedia

y ablandador 54

Tabla 16: Eficiencia del filtro de carbón activado en función de presión y flujo 55 Tabla 17: Eficiencia del filtro multimedia en función de la presión y flujo 56 Tabla 18: Eficiencia del ablandador en función de presión y flujo 57 Tabla 19: Análisis de varianza para el filtro de carbón activado 62 Tabla 20: Análisis de varianza para el filtro multimedia 64 Tabla 21: Análisis de varianza para el filtro ablandador 65

Tabla 22: Estadística descriptiva para el color 66

Tabla 23: Estadística descriptiva para la turbidez 67 Tabla 24: Estadística descriptiva para la dureza 67

Tabla 25: Tukey para el color 68

Tabla 26: Tukey para la dureza 68

Tabla 27: Tukey para la turbidez 69

Tabla 28: Tukey para el color 69

Tabla 29: Tukey para la dureza 70

Tabla 30: Tukey para la turbidez 70

xv ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Filtro multimedia de antracita, arena, gamet y grava ... 22

Figura 2: Forma tridimensional del aluminosilicato tetraédrico ... 24

Figura 3 Variación de la presión en el filtro de carbón activado... 47

Figura 5 Variación de la presión en el filtro multimedia... 48

Figura 4 Variación de la presión en el filtro ablandador ... 50

Figura 6 Variación del flujo en el filtro de carbón activado... 51

Figura 7 Variación del flujo en el filtro multimedia ... 52

Figura 8 Variación del flujo en el filtro ablandador ... 53

Figura 9 Gráfica de contorno para la eficiencia del filtro de carbón activado ... 55

Figura 10:Gráfica de contorno para la eficiencia del filtro multimedia ... 56

Figura 11: Gráfica de contorno para la eficiencia del filtro ablandador ... 57

Figura 12. Media para la eficiencia del filtro de carbón activado. ... 60

Figura 13. Media para la eficiencia del filtro multimedia. ... 61

Figura 14. Media para la eficiencia del filtro ablandador. ... 61

Figura 15. Probabilidad para el filtro de carbón activado. ... 63

Figura 16. Probabilidad para el filtro multimedia. ... 65

Figura 17. Probabilidad para el filtro ablandador. ... 66

16 CAPÍTULO I

1. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN:

En el laboratorio de control de calidad los investigadores Condori Mamani et al., (2017) instalaron y evaluaron un ablandador y un filtro de partículas, utilizaron la resina catiónica fuertemente ácida LEWATIT S 1567 para remover calcio y magnesio, el caudal del agua tratada fue de 8 GMP con un caudal de retrolavado de 10 minutos, las columnas de ablandador presentaron 1,21 m de altura necesitando 2 pies cúbicos de resina y una altura del lecho del 60 %, la eficiencia del ablandador fue del 99,48 %, disminuyendo la dureza del 478,11 mg/L hasta 2,48 mg/L; la velocidad de las adsorción de la dureza del agua fue de 15 segundos generando una capacidad optima del tanque de ablandamiento con la resina.

El ablandamiento de las aguas de la laguna Putacocha se realizó en la investigación de Fernandez Prada et al., (2019), quienes diseñaron un ablandador con resina catiónica Amberlite IR 120, la alimentación al ablandador fue de 25,6 m³/h siendo necesario 2,56 m³ de la resina, además el tiempo de saturación fue de 21,23 h; muestrearon 3 muestras de agua tanto al ingreso, a la salida y a 100 m de la desembocadura de la laguna; el ablandamiento aplicado a estas muestras tuvo una eficiencia de 98,90 %; 98,50 % y 98,55 % respectivamente; mientras que tuvieron un tiempo de saturación de 25,50 h, 23,80 h y 16,20 h respectivamente;

las aguas ablandadas cumplieron con los estándares establecidos en la Norma Británica BS-2486 para agua de alimentación de calderos de 5 MW.

La viabilidad del uso de fiofiltros de bioarena para mejorar la calidad del agua potable se estudió por Mutemi et al., (2020) analizaron el pH, turbidez, cloruro, nitratos, conductividad eléctrica (CE), oxígeno disuelto (OD) y coliformes fecales del agua potable de pozos poco profundos excavados a mano (profundidad <10 m); instalaron tres plantas piloto de laboratorio, cada una de las cuales constaba de un cilindro de plástico de 90 mm de diámetro y 800 mm de profundidad con tres combinaciones diferentes de medios filtrantes (BSF1, BSF2 y BSF3); BSF1 compuesto solo de arena, BSF2 contenía arena y una capa de 50 mm de espesor de mezcla de hierro y arena y BSF3 compuesto de arena y una capa de 100 mm

17 de espesor de mezcla de hierro y arena; los valores promedio de los parámetros para el agua de pozo cruda usada para las plantas piloto fueron 6,75 (pH), 32,5 NTU (turbidez), 126 mg/L (cloruro), 15 mg/L (nitratos), 303 μS/cm ( CE), 2,2 mg/L (OD) y 1521 UFC/100 mL (coliformes fecales); después de cuatro semanas, las eficiencias de eliminación de bacterias fueron del 94,8 %, 99,2 % y 99,5 % para BSF1, BSF2 y BSF3, respectivamente.

El impacto de la profundidad del lecho filtrante y la carga de sólidos usando un filtro multimedia fueron estudiados por Ncube et al., (2018) quienes realizaron una comparación de filtros de medios simples, duales, triples y cuádruples (antracita, pedernal, alúmina y magnetita) para comprender cómo la profundidad, el tipo de medio y la concentración de sólidos influían en el rendimiento. El filtro mejoró haciendo el medio más profundo; sin embargo, los 0,1 m superiores del filtro retuvieron la mayor cantidad de sólidos. Las capas adicionales de materiales filtrantes, desde simples, dobles, triples hasta cuádruples, mejoraron el rendimiento del filtro para la misma profundidad del lecho filtrante.

El efecto de las condiciones operativas sobre el rendimiento del filtro de arena profunda en la eliminación de turbidez se estudió por Mahanna et al., (2018) quienes construyeron una planta piloto de laboratorio para estudiar el desempeño del filtro de arena profunda en el tratamiento de agua, utilizaron arena como medio de filtración con diferentes velocidades de filtración que iban desde 4 m/h hasta 8 m/h; aplicaron flujo descendente al filtro a través de un medio de arena con un tamaño de 0,7 mm -1,0 mm, mientras que la profundidad de la arena se cambió de 80 cm a 140 cm, prepararon agua turbia sintética en diferentes niveles de turbidez que variaron de 10 UNT a 30 UNT; utilizaron sulfato de aluminio (alumbre) como coagulante en diferentes dosis variadas de 20 mg/L a 40 mg/L, investigaron la remoción de turbidez y la pérdida de carga como funciones de la profundidad de la arena, la tasa de filtración, la dosis de alumbre y la turbidez del afluente, a partir del análisis de los resultados experimentales, encontraron que el cambio de las condiciones operativas presentaron un impacto significativo en la eficiencia de remoción de turbidez, pérdida de carga y período de maduración.

18 Pérez Chilel, (2018) propusieron el diseño de un filtro de carbón activado a escala laboratorio para la adsorción de cloro del agua, las variables de diseño del filtro fueron 1 m de altura, 0,15 m de diámetro, 0,03 m altura a la que se encuentra el deflector, 0,80 m altura de la cama del carbón activado y 0,15 m de distancia entre válvulas, además los equipos y accesorios para el filtro fueron válvulas de 3 vías, codos de 45°, tanques para captación de agua tratada, manómetros y tuberías;

evaluaron la adsorción de cloro realizando experimentos de equilibrio líquido sólido.

En la investigación de Golea et al., (2020) estudiaron la influencia de las propiedades del carbón activado granular (GAC) en la eliminación de materia orgánica (NOM) y en los precursores de subproductos de la desinfección de cloro (DBP), utilizaron tanto pruebas de adsorción por lotes como pruebas rápidas de columna a pequeña escala; todos los medios GAC no mostraron selectividad para la eliminación específica de precursores de DBP regulados; debido a la concentración muy reducida de precursores de DBP, la correlación fue significativamente más pobre para la fuente de agua pretratada con coagulación/floculación, las curvas de avance generadas a partir de las pruebas de microcolumnas revelaron la eliminación de DQO y la consiguiente reducción de DBP para correlacionar razonablemente bien con la prevalencia de poros en el rango de 5 nm a 10 nm; registraron un aumento de 3 - 6 veces en la capacidad para un cambio de 0,005 cm³/g – 0,045 cm³/g en la densidad del volumen de poros de tamaño 5 nm - 10 nm.

En la investigación de Armijos Salazar, (2015) implementaron un prototipo de filtro a base de carbón activado para tratar los vertidos de una quesera; el dimensionamiento del prototipo del filtro se basó en término de DQO del agua residual el cual presento una concentración de 5000 mg/L; se alimentó al filtro un caudal de 6596 L/día el cual presento una eficiencia de 60 % en la remoción de los contaminantes de las vertientes de la quesera, el carbón activado necesario fue de 784,30 kg/día para un área de filtro de 0,245 m³.m². min; el filtro a escala real fue de 0,20 m² con un volumen de 400 L

19 1.2. MARCO TEÓRICO

1.2.1. Aguas subterráneas

El agua subterránea se refiere a toda el agua que ocupa los vacíos, poros y fisuras dentro de las formaciones geológicas, que se originó a partir de la precipitación atmosférica, ya sea directamente por infiltración de lluvia o indirectamente de ríos, lagos o canales. Las arenas, grava, areniscas y formaciones de piedra caliza son las fuentes habituales de suministro de agua subterránea, aunque algunos pueden extraerse de rocas impermeables como el granito cuando tienen una carga excesiva de arena o grava. El agua subterránea es un valioso recurso de agua dulce y constituye aproximadamente dos tercios de las reservas de agua dulce del mundo (Otieno y Ochieng, 2012).

A. Calidad del agua subterránea

Las características químicas, físicas y bacterianas de las aguas subterráneas determinan su utilidad para diversos fines. El análisis químico del agua subterránea incluye la determinación de las concentraciones de constituyente inorgánico. El análisis también incluye la medición del pH y la conductancia eléctrica específica. La temperatura, el color, la turbidez, el olor y el sabor se evalúan en un análisis físico. El análisis de bacterias generalmente consiste en pruebas para detectar la presencia de organismos en forma de E. coli (Otieno y Ochieng, 2012).

El problema de la calidad del agua puede estar asociado y ser rastreable a cualquiera o todos los siguientes (Otieno y Ochieng, 2012):

• Fuente de agua de mala calidad.

• Selección o protección deficiente del lugar, como delantal y forro.

• Dificultades de construcción.

• Deterioro estructural con la edad.

B. Calidad del agua potable B.1. Calidad microbiana

Los expertos afirman que la protección segura de la calidad microbiana del agua potable es el objetivo más importante, incluso por delante de su calidad física y química, ya que el agua representa un modo evidente de transmisión de enfermedades entéricas (Otieno y Ochieng, 2012).

20 Las normas recomendadas por la OMS para analizar la contaminación durante el transporte o el almacenamiento son un recuento de MPN de menos de 10 por 100 mL para las formas totales de coli y de 2,5 por 100 mL para E. coli (Otieno y Ochieng, 2012).

B.2. Calidad fisicoquímica

Sólidos suspendidos totales (TDS): comprenden materia orgánica y sales inorgánicas, que pueden provenir de fuentes como aguas residuales, descargas de efluentes, escorrentías urbanas o de bicarbonatos naturales, cloruros, sulfatos, nitratos, sodio, potasio, calcio y magnesio. El principal determinante del nivel de TDS en el agua son las características geoquímicas del suelo con el que entra en contacto, por ejemplo, arenas de granito y silicio, y los suelos bien lixiviados. El TDS está relacionado con otros parámetros de calidad del agua como la dureza, que puede ocurrir si el alto contenido de TDS se debe a la presencia de carbonatos (Otieno y Ochieng, 2012).

Turbidez: Se puede medir por turbidez y nefelometría. La turbidez del agua afecta otros parámetros de la calidad del agua, como el color, cuando es impartida por partículas coloidales. También promueve la proliferación microbiana, afectando así negativamente la calidad microbiológica del agua. También afecta la calidad química del agua potable a través de la formación de complejos entre la turbidez causante de materia húmica y metales pesados (Otieno y Ochieng, 2012).

Color: El color en el agua potable es causado por la presencia de sustancias orgánicas coloreadas, generalmente húmicas, que se originan por la descomposición de la vegetación. El hierro y el manganeso también dan al agua un color rojo y azul respectivamente por la acción de bacterias, que las oxidan a sus óxidos férrico y mangánico respectivamente (Otieno y Ochieng, 2012).

Oxígeno disuelto: el nivel de oxígeno disuelto en el agua se utiliza como una indicación de contaminación y su potabilidad. El valor de referencia recomendado para el agua potable es un nivel no inferior a 8 mg/L. Los niveles más bajos indican contaminación microbiana o corrosión (Otieno y Ochieng, 2012).

Dureza: Los principales iones que provocan la dureza son el calcio y el magnesio.

Cuando el anión es carbonato, se denomina temperatura, ya que se puede eliminar por ebullición, a diferencia de cuando los aniones son sulfatos, cloruros y nitratos.

El agua subterránea es a menudo más dura que el agua superficial y puede tener niveles de hasta varios miles de mg/L debido a su alto potencial de solubilización,

21 particularmente para rocas que contienen yeso, calcita y dolomita (Otieno y Ochieng, 2012).

Alcalinidad: es un índice de la capacidad amortiguadora del agua producida por aniones de ácidos débiles, como hidróxidos, bicarbonatos y carbonatos. Un aumento de alcalinidad provoca una pérdida de color, que es directamente proporcional a la alcalinidad de la muestra de agua y suele estar cerca de su valor de dureza (Otieno y Ochieng, 2012).

1.2.2. Sistema de pre tratamiento de agua

Las características del agua cruda a tratar determinan los procesos de tratamiento a aplicarse (Camacho, 2011).

A. Filtración

La filtración de medios granulares es uno de los tratamientos terciarios importantes que se utilizan para eliminar materiales particulados de las aguas. La eficiencia de la filtración depende de las propiedades fisicoquímicas de las partículas y del medio poroso (tamaño, forma, composición química, propiedades superficiales), la química de la suspensión (pH, fuerza iónica, composición iónica), la actividad biótica, las condiciones hidrodinámicas y la temperatura ambiente (Ncube et al., 2017).

Existen muchos mecanismos posibles para la eliminación de partículas mediante filtros granulares, se ha aceptado generalmente que dos procesos contribuyen a la separación de materia en suspensión de una corriente líquida. Uno es transportar las partículas en movimiento a las proximidades de la superficie de sólidos estacionarios; el otro es unir las partículas a eso. Los principales mecanismos de transporte pueden involucrar tensión, sedimentación, intercepción y difusión, mientras que los mecanismos de unión pueden involucrar las fuerzas de van der Waal, la interacción de doble capa o el enlace de hidrógeno. Las mismas fuerzas coloidales operan en la filtración que en el proceso de coagulación-floculación.

Por ejemplo, el movimiento browniano se vuelve significativo, causando la colisión de partículas coloidales menores de 2 𝜇 y consecuentemente puede ocurrir una perifloculación dentro de los poros del filtro. Bajo ciertas condiciones, también puede ocurrir una ortofloculación, efectuada por gradientes de velocidad.

La floculación dentro de los poros del filtro puede cambiar el carácter de las partículas a tal grado que otros mecanismos se ven afectados. El lecho del filtro se vuelve más pronunciado cuando se aplica un coagulante o un fIoculante

22 directamente al filtro, aparece un flóculo de tamaño sustancial en el efluente del filtro de los filtros poco profundos después de que ocurre la ruptura, mientras que el agua afluente no contiene un fIoc visible (Conley et al., 1968).

1.2.3. Filtros multimedia

Los filtros multimedia están compuestos por diferentes tipos de medios de empaque de diferentes tamaños hasta una profundidad total de 0,75 m a 1 m, los medios de empaque incluyen roca, grava, escoria, arena, secuoya y una amplia gama de plásticos y otros materiales sintéticos (Gulhane y Charpe, 2015).

Los filtros multimedia se utilizan para poder remover los sólidos suspendidos presentes en el agua, estos filtros presentan muchas capas de filtros que van desde las más gruesas hasta las más finas con el fin de que las capas superiores atrapen las partículas más grandes y que las capas inferiores atrapen las más pequeñas; los medios de filtración pueden ser arenillas, óxidos, orgánicos entre otros, presentan tamaños de 10 micrones a 15 micrones o más, y se seleccionan en función de sus densidad y tamaño, con el fin de retro lavar los medios filtrantes (Gulhane y Charpe, 2015).

Figura 1: Filtro multimedia de antracita, arena, gamet y grava

A. Variables de diseño

Hay muchas variables que afectan la eficiencia de la filtración: tasa de flujo, tamaño de grano del medio, profundidad del filtro y las propiedades de la suspensión. Las características del afluente, en relación con el medio filtrante, se pueden representar en dos curvas de rendimiento. Estas curvas se pueden

23 desarrollar a través del estudio de la planta piloto evaluando primero el efecto de cada variable en el rendimiento del filtro para un sistema dado. La unidad piloto puede constar de varios filtros multimedia que tienen diferentes tamaños de grano y profundidades (Gulhane y Charpe, 2015).

Cuando el método se aplica a filtros multimedia, se debe realizar una modificación utilizando un tamaño de grano equivalente que se puede aproximar de la siguiente manera (Gulhane y Charpe, 2015):

𝑑_𝑒 = 𝑋₁𝑑₁+ 𝑋₂𝑑₂+ 𝑋₃𝑑₃

Donde 𝑑_𝑒 es el tamaño de grano equivalente de un filtro de tres medios, 𝑑₁, 𝑑₂ y 𝑑₃ son el tamaño medio de los medios individuales, y 𝑋₁, '𝑋₂ y 𝑋₃ son el porcentaje en volumen de los medios individuales, respectivamente.

Según el criterio del efluente, una selección de una tasa más alta debe ir acompañada de un tamaño de grano más fino, un tramo más corto o un lecho más profundo, pero, según el criterio de pérdida de carga, se debe usar un grano más grueso y un lecho menos profundo. Es preferible aumentar la tasa de flujo a extender el recorrido del filtro. Es obvio que un lecho relativamente grueso y profundo hecho de material uniforme es deseable para una filtración de alta velocidad. Una forma de reducir la profundidad del filtro, sin afectar adversamente la calidad del efluente y el aumento de la pérdida de carga, es usar un lecho que tenga un tamaño de partícula decreciente en la dirección del flujo.

Esto se puede hacer utilizando materiales de diferente gravedad y tamaño específicos (Gulhane y Charpe, 2015).

Los filtros de este tipo merecen una atención especial tanto por razones teóricas como prácticas. En la actualidad, los medios comerciales disponibles para ser utilizados en filtros multimedia son carbón antracita, arena, granate e ilmenita con un peso específico promedio de 1,5 N/m³, 2,6 N/m³, 4,2 N/m³ y 4,8 N/m³, respectivamente. Debido a la diferencia en la gravedad específica, es posible tener el material más grueso y liviano en la parte superior del lecho y el material más fino y más denso en la parte inferior, logrando la gradación de grueso a fino en la dirección del flujo. Sin embargo, esto solo se puede lograr mediante la selección adecuada de los tamaños relativos de los diferentes medios. La mezcla controlada entre los materiales es permisible y también beneficiosa, pero una mezcla excesiva frustraría el propósito del concepto multimedia (Gulhane y Charpe, 2015).

B. Turbiclean

24 Medio filtrante que remueve partículas de tamaños de hasta 3 micras, es un compuesto de aluminosilicatos que presentan gran eficiencia de filtración por sus superficies irregulares y porosas; sus características más resaltantes son (PROMAQUIRSA, n.d.):

• Actúa como una cama de intercambio iónico hasta 1,6 meq/g.

• Retiene partículas de 3 micrones a 5 micrones

• Trabaja con flujos de nominales de 15 gpm/ft² hasta un máximo de 20 gpm/ft².

• No necesita filtrados adicionales

• Presenta un peso ligero, siendo de 50 % a 70 % menos que los filtros tradicionales.

• Se utiliza un solo medio filtrante.

• Suple la arena y la antracita

Figura 2: Forma tridimensional del aluminosilicato tetraédrico

Fuente: (Gulhane y Charpe, 2015) 1.2.4. Filtros de carbón activado

A. Carbón activado

El carbón activado granular (GAC) se usa comúnmente para la eliminación de componentes orgánicos y desinfectantes residuales en los suministros de agua.

Esto no solo mejora el sabor y minimiza los peligros para la salud, sino que también protege otras unidades de tratamiento de agua, como las membranas de ósmosis inversa y las resinas de intercambio iónico, de posibles daños debido a la oxidación o incrustaciones orgánicas. El carbón activado es una técnica de

25 tratamiento de agua preferida debido a su naturaleza multifuncional y al hecho de que no agrega nada perjudicial al agua tratada (DeSilva, 2000).

La mayoría de los carbones activados están hechos de materias primas como cáscaras de nueces, madera, carbón y petróleo. La superficie típica del carbón activado es de aproximadamente 1000 metros cuadrados por gramo (m²/g). Sin embargo, diferentes materias primas producen diferentes tipos de carbón activado que varían en dureza, densidad, tamaño de partículas y poros, superficie áreas, extraíbles, cenizas y pH. Estas diferencias en las propiedades hacen que los carbones sean a menudo preferibles a otros métodos en diversas aplicaciones.

Los dos mecanismos principales por los que el carbón activado elimina los contaminantes del agua son la adsorción y la reducción catalítica. Los orgánicos se eliminan por adsorción y los desinfectantes residuales se eliminan mediante reducción catalítica. Los factores que afectan el desempeño del carbón activado son (DeSilva, 2000):

• Peso molecular. A medida que aumenta el peso molecular, el carbón activado se adsorbe con mayor eficacia porque las moléculas son menos solubles en agua.

Sin embargo, la estructura de poros del carbono debe ser lo suficientemente grande como para permitir que las moléculas migren dentro. Debería diseñarse una mezcla de moléculas de alto y bajo peso molecular para la eliminación de las especies más difíciles.

• pH. La mayoría de los orgánicos son menos solubles y se adsorben más fácilmente a un pH más bajo. A medida que aumenta el pH, la eliminación disminuye. Una regla general es aumentar el tamaño del lecho de carbono en un 20 por ciento por cada unidad de pH por encima de neutral (7,0).

• Concentración de contaminantes. Cuanto mayor sea la concentración de contaminantes, mayor será la capacidad de eliminación de carbón activado. Es más probable que la molécula contaminante se difunda en un poro y se adsorba.

Una mayor concentración de contaminantes puede requerir más tiempo de contacto con el carbón activado. Además, la eliminación de compuestos orgánicos se ve reforzada por la presencia de dureza en el agua, por lo que siempre que sea posible, coloque unidades de carbón activado aguas arriba de las unidades de eliminación de iones.

• Tamaño de partícula. El carbón activado está comúnmente disponible en malla 8 × 30 (la más grande), malla 12 × 40 (la más común) y malla 20 × 50 (la más

26 fina). La malla más fina proporciona el mejor contacto y una mejor eliminación, pero a expensas de una mayor caída de presión.

• Tasa de flujo. Generalmente, cuanto menor sea el caudal, más tiempo tendrá el contaminante para difundirse en un poro y ser adsorbido. La adsorción por carbón activado casi siempre mejora con un tiempo de contacto más prolongado. Siempre que considere tasas de flujo más altas con carbones de malla más fina, esté atento a una mayor caída de presión.

• La temperatura. Las temperaturas del agua más altas disminuyen la viscosidad de la solución y pueden aumentar la velocidad de difusión, aumentando así adsorción. Las temperaturas más altas también pueden interrumpir el enlace de adsorción y disminuir ligeramente la adsorción. Depende del compuesto orgánico que se elimine, pero en general, las temperaturas más bajas parecen favorecer la adsorción.

B. Eliminación de desinfectantes residuales con carbón activado

El carbón activado puede eliminar y destruir los desinfectantes residuales (cloro y cloramina) mediante una reacción de reducción catalítica. Esta es una reacción química que implica una transferencia de electrones desde la superficie del carbón activado al desinfectante residual. En otras palabras, el carbón activado actúa como agente reductor. La eliminación de cloro del carbón activado reduce el cloro a un ion cloruro no oxidativo. La reacción es muy rápida y tiene lugar en las primeras pulgadas de un nuevo lecho de carbón activado. La capacidad de cloro del carbón activado nuevo es de 1 libra de cloro por libra de carbón a un caudal de 3 a 5 gpm/ft³. y una profundidad de cama de 3 ft (DeSilva, 2000).

La eliminación de cloramina mediante carbón activado es una reacción mucho más lenta. La especie predominante de cloramina en los suministros de agua de la ciudad (pH de aproximadamente 7 a 8) es la monocloramina. La reacción con carbón activado y monocloramina también produce un ion cloruro no oxidativo.

Dado que la velocidad de reacción es considerablemente más lenta, la velocidad de flujo debe ser de 0,5 gpm/cu.ft. y la profundidad de la cama superior a 3 pies (DeSilva, 2000).

C. Filtro de carbón activado

El diseño, la operación y el desempeño de los procesos del filtro de carbón activado están influenciados por su ubicación dentro de la secuencia de tratamiento. Los adsorbedores postfiltro utilizan frecuentemente carbón activado

27 con un tamaño efectivo pequeño (e.s.) y un coeficiente de uniformidad grande (UC) para promover la rápida adsorción de compuestos orgánicos y la restratificación para mantener el frente de adsorción. Pero el carbón activado con un tamaño efectivo grande y un coeficiente de uniformidad pequeño permite corridas de filtro más largas hasta una pérdida de carga terminal determinada, facilita la limpieza del filtro y reduce la pérdida de carbón. Debido a que el medio de filtro-adsorbente debe satisfacer las limitaciones tanto de adsorción como de filtración, es necesario un compromiso entre las eficiencias de adsorción y filtración en términos de tamaño de partícula y coeficiente de uniformidad.

Además, las cargas de sólidos más altas en los filtros-adsorbedores, en comparación con los adsorbedores posteriores al filtro, requieren un lavado a contracorriente más frecuente, típicamente a la misma frecuencia que los filtros de medios convencionales. También se deben considerar los posibles efectos de la carga de sólidos, el diseño existente (para sistemas de modernización) y un lavado a contracorriente más frecuente sobre la adsorción de orgánicos. Parte o todo el medio de los filtros existentes se reemplaza por carbón activado. El medio de carbón activado también es considerablemente menos denso, tiene un coeficiente de uniformidad mayor. y tiene una superficie más irregular y angular.

Las características del carbón activado influyen en el desarrollo de la pérdida de carga, la duración del recorrido del filtro, los requisitos de retrolavado y la calidad del agua filtrada (Graese et al., 1987).

D. Criterios de diseño

El carbón granular se puede utilizar después de la filtración convencional de materia en suspensión o, como una combinación de medio de filtración-adsorción.

La elección del equipo depende de la gravedad del problema de eliminación de los contaminantes orgánicos (detergentes, insecticidas, virus, contaminantes químicos específicos y contaminantes de sabor y olor), la disponibilidad del equipo existente y la mejora deseada de las condiciones de adsorción (Abdul - Ahad, 2008).

Por lo general, se utilizan dos o más unidades en operación de flujo descendente en paralelo. Los arranques de las unidades se escalonan para que el agotamiento de cada lecho sea secuencial. La eliminación del efluente de carbono fresco con el efluente de carbono parcialmente agotado prolonga en efecto la vida útil del

28 lecho antes de que sea necesaria la reactivación o sustitución de los lechos individuales (Abdul -Ahad, 2008).

Las tasas de flujo son generalmente (2,5 gpm/ft² – 5 gpm/ft²) y las profundidades del lecho son normalmente (2,5 pies - 10 pies). La variación de los valores combinados de estos dos factores se puede considerar como un ajuste del tiempo de contacto del agua y la cama de carbón granular. Cuando las profundidades del lecho a tasas de flujo dadas se reducen a una función de tiempo de contacto (gpm/pies cúbicos), el rendimiento es directamente proporcional a esta función.

Cuando el lecho de carbón granular funciona como una unidad de eliminación de turbidez y de adsorción, puede haber razones para limitar la profundidad del lecho y los parámetros de caudal para eliminar eficazmente la turbidez y retrolavar adecuadamente el filtro (Abdul -Ahad, 2008).

Los datos de expansión del retrolavado, la pérdida de carga y las características físicas del carbón granular a base de carbón se consideran cuidadosamente como un factor de diseño. Se reconoce que la reducción del tamaño de partícula para un conjunto dado de condiciones de flujo es un medio para aumentar las velocidades de adsorción y, por lo tanto, mejorar el rendimiento de adsorción. La reducción del tamaño de las partículas para mejorar la adsorción debe ser coherente con otros factores importantes, como la pérdida de carga y la expansión del retrolavado. La duración del recorrido del filtro en un lecho de adsorción-filtración también sería un problema, si se eligiera un tamaño de partícula demasiado pequeño. A profundidades de lecho poco profundas, el tamaño de partícula más pequeño demuestra su rápida tasa de adsorción. Sin embargo, en las profundidades del lecho más profundas y los períodos de contacto más largos, la diferencia en el rendimiento debido a la tasa de adsorción es quizás significativa (Abdul -Ahad, 2008).

1.2.5. Ablandador A. Agua blanda

La presencia de calcio en el agua se debe a su paso sobre piedra caliza, dolomita, yeso y lutitas yesíferas. El rango de contenido de calcio es de cero a cientos de miligramos por litro. La concentración depende de la fuente y el tratamiento del agua. La presencia de calcio en el agua da como resultado la corrosión de las tuberías metálicas. Por otro lado, al calentar se precipitan considerables sales de

29 calcio para formar una incrustación dañina en las calderas, tuberías y utensilios de cocina (Sharjeel et al., 2019).

El magnesio es el componente común del agua natural y ocupa el octavo lugar más abundante entre los elementos. La asociación de agua con granito o arena silícea puede contener menos de 5 mg de magnesio por litro. El agua que tiene dolomita o piedra caliza rica en magnesio puede contener de 10 mg/L a 50 mg/L, y puede haber una concentración de cientos de mg/L de magnesio en el agua que ha estado en contacto con depósitos que contienen sulfatos y cloruros de magnesio. El magnesio con una acción similar al calcio crea la propiedad de dureza al agua, la suma de la concentración de calcio y magnesio se considera la dureza total (Sharjeel et al., 2019).

B. Intercambio iónico

El tratamiento del agua para ablandarla se conoce como ablandamiento del agua.

El ablandamiento del agua también mejora la calidad del agua para usarla para diferentes propósitos específicos. Hay muchos procesos para suavizar el agua, como el método de intercambio iónico, el proceso de cal sodada, la desmineralización, pero el método de intercambio iónico es el proceso más utilizado para ablandar el agua. El método de ablandamiento del agua se basa en la eliminación de los iones metálicos presentes en el agua. Por lo tanto, se tiene que hacer la mejor planta de tratamiento en función del costo, la duración de la operación, la durabilidad, la capacidad y la eficiencia general (Sharjeel et al., 2019).

El procedimiento básico para el método de intercambio iónico es el uso de resina en la que los iones de dureza probablemente Ca²⁺ y Mg²⁺ se intercambian con iones de sodio. La dureza se reduce mediante dispositivos de intercambio iónico al reemplazar el calcio y el magnesio con iones de sodio y potasio. El catión divalente (Ca⁺⁺) se une más intensamente que el catión monovalente (Na⁺) con la resina de intercambio iónico. Se utiliza una solución de cloruro de sodio o hidróxido de sodio, dependiendo del tipo de resina, para recargar eluyendo el ión calcio Ca²⁺ y magnesio Mg²⁺ cuando todos los iones Na⁺ disponibles han sido reemplazados por iones calcio y magnesio (Sharjeel et al., 2019).

C. Clasificación de las resinas

Las resinas de intercambio iónico son polímeros orgánicos insolubles, reticulados, de cadena larga de alto peso molecular que son permeables debido a su estructura

30 microporosa, y los grupos funcionales unidos a las cadenas están involucrados en las propiedades de intercambio iónico (Vishvajit et al., 2019).

Los grupos funcionales se introducen en la red de resina reticulada. Son estos grupos funcionales los que deciden la naturaleza del intercambiador de resina, es decir, catiónico o aniónico. Las resinas de intercambio iónico en función de su acidez o basicidad se clasifican como sigue (Vishvajit et al., 2019):

• Resinas de intercambio catiónico (RH2)/(RH⁺)

Las resinas que contienen grupos funcionales ácidos (COOH, -SO3H, etc.) intercambian sus iones H⁺ con otros cationes, que entran en su contacto se conocen como resinas de intercambio catiónico. Estos se representan como RH⁺ o RH2. Estas resinas son capaces de intercambiar rápidamente cationes como Ca²⁺ y Mg²⁺

por iones de hidrógeno. Por ejemplo: Divinamente copolímero de benceno, resinas de formaldehído, Amberlite IR-120, Zeocarb, Dowex-50, Duolite, Estireno sulfatado o carboxilato, etc. son algunas de las resinas de intercambio catiónico disponibles comercialmente. Sus reacciones de intercambio con cationes (Ca²⁺ y Mg²⁺) son las siguientes (Vishvajit et al., 2019):

𝑅𝐻₂+ 𝐶𝑎²⁺→ 𝑅𝐶𝑎 + 2𝐻⁺ 𝑅𝐻₂+ 𝑀𝑔²⁺ → 𝑅𝑀𝑔 + 𝐻⁺

• Resinas de intercambio aniónico (R’(OH))

La resina que contiene grupos funcionales básicos (por ejemplo, - NH2, = NH, etc. como hidrocloruro) intercambia sus aniones con otros aniones, que entran en contacto se denominan resinas de intercambio aniónico (Vishvajit et al., 2019).

D. Principio del proceso de intercambio iónico

Los principios del proceso de intercambio iónico son los siguientes (Vishvajit et al., 2019):

• Cuando el agua dura pasa por primera vez a través del lecho de intercambio catiónico, que elimina todos los cationes.

• Así, los sulfatos, cloruros y bicarbonatos se convierten en los ácidos correspondientes HCl, H2SO4 y H2CO3. En otras palabras, el agua recolectada del intercambiador de cationes se recolecta libremente de todos los cationes, pero es ácida.

• Después de esto, el agua dura ácida pasa a través de un lecho de intercambio

31 aniónico.

• Por lo tanto, el agua que sale del lecho de intercambio de aniones queda libre de cationes y de aniones.

• El agua libre de iones resultante es agua desionizada o agua desmineralizada.

• El agua finalmente se libera de los gases disueltos pasándola por un desgasificador, que es una torre calentada por ambos lados y está conectada a una bomba de vacío. La alta temperatura y la baja presión reducen la cantidad de gases disueltos.

• El agua obtenida por este proceso está muy cerca del agua destilada, que el requisito de la caldera es agua de alimentación. Este proceso es muy bueno para calderas de alta presión.

• Regeneración de resinas agotadas

• La capacidad de estas resinas de intercambio iónico para intercambiar iones del agua dura se basa en sus capacidades de intercambio iónico.

• Cuando se pierden sus capacidades de intercambio iónico, se dice que están agotadas.

• Cuando se agotan las resinas, se detiene el suministro de agua. El intercambiador de cationes agotado se regenera pasando una solución diluida de HCl o H2SO4.

E. Proceso de intercambio iónico / desmineralización

El proceso de intercambio iónico/desmineralización se da de la siguiente forma (Vishvajit et al., 2019):

• El agua dura primero pasa a través de la columna de intercambio catiónico y luego a través de la columna de intercambio aniónico.

• El agua blanda así obtenida está libre de todos los cationes y aniones.

• Cuando la columna se agota, se establece en regeneración; y el proceso continúa. El agua obtenida está cerca de la calidad del agua destilada (0 ppm - 2 ppm.)

• El lecho de intercambio se lava con agua desionizada y los lavados (que contienen Ca²⁺, Mg²⁺ y Cl^– o SO42-) se pasan al fregadero o al desagüe.

• El intercambiador de aniones agotado se regenera tratándolo con una solución diluida de NaOH.

32 El lecho del intercambiador se lava con agua desionizada y los lavados (que contienen NaCl o Na2SO4) se pasan al fregadero o al drenaje (Vishvajit et al., 2019):

• Las resinas de intercambio iónico regeneradas se vuelven a utilizar. Si el agua contiene suficiente dureza temporal, es aconsejable eliminar dicha dureza primero tratándola con cal.

F. Diseño del ablandador

PASO 1: Seleccione la válvula de control que desea usar según los requisitos de flujo de servicio de la aplicación: el primer objetivo es seleccionar una válvula que ofrezca una caída de presión aceptable desde la entrada hasta la salida del descalcificador en el flujo de servicio requerido. Utilice una pauta de caída de presión de flujo de servicio máximo de 15 libras por pulgada cuadrada (psi) —1 bar — solo para la válvula (Slovak, 2004).

PASO 2: Determine el volumen de resina requerido: el volumen de resina generalmente se determina mediante cuatro factores (Slovak, 2004):

• El caudal de servicio,

• Dureza del agua,

• El volumen de agua a tratar, y

• El número de veces al día que se puede regenerar el ablandador (es decir, las válvulas con caudalímetros permiten una regeneración múltiple por día).

Por lo general, tres veces es el número máximo práctico de regeneraciones por día porque (Slovak, 2004):

Por lo general, la regeneración demora hasta dos horas y

Se necesitan hasta tres horas (dependiendo de la temperatura) para preparar una solución salina saturada en el tanque de salmuera

1.3. MARCO CONCEPTUAL 1.3.1. Dureza

Se trata simplemente de la resistencia del agua a formar espuma con el jabón. Por tanto, el agua dura requiere una cantidad considerable de jabón para producir espuma. Los principales iones que provocan la dureza son el calcio y el magnesio (Otieno y Ochieng, 2012).

33 1.3.2. Turbidez

Es una expresión de ciertas propiedades de dispersión y absorción de luz de la muestra de agua causadas por la presencia de arcilla, limo, materia en suspensión, partículas coloidales, plancton y otros microorganismos (Otieno y Ochieng, 2012).

1.3.3. Filtración:

Es un proceso para eliminar los contaminantes de las aguas residuales pasando a través del medio poroso. Es la tecnología de tratamiento más simple y de bajo costo basada en el principio del proceso de crecimiento adjunto (Gulhane y Charpe, 2015).

1.3.4. Carbón activado:

Adsorbente poderoso y exhibe una extrema especificidad de aplicación a través de variaciones en la estructura, se puede considerar como un espacio molecular, ya que este espacio está contenido dentro de una red tridimensional de átomos de carbono dispuestos en capas compuestas por estructuras de anillos unidas entre sí de manera algo imperfecta (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006).

1.3.5. Resina de intercambio iónico:

Polímero orgánico que contiene un grupo funcional aniónico. Las zeolitas son materiales inorgánicos que pueden usarse para exhibir propiedades de intercambio iónico. En los detergentes para ropa, estos minerales se utilizan ampliamente. Las resinas también se utilizan para eliminar los iones carbonato, bicarbonato, sulfato que quedan cautivos y los iones hidróxido liberados de la resina (Sharjeel et al., 2019)

34 CAPÍTULO II

2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. METODOLOGÍA

La investigación que ha de realizarse será del tipo aplicada, conocida también como práctica o empírica, siendo su principal objetivo la aplicación de conocimientos adquiridos para la implementación y sistematización de la práctica;

en el presente estudio se evaluará la eficiencia del sistema de tratamiento de agua de pozo de una industria láctea; los resultados de este estudio juntamente con los conocimientos brindaran una forma organizada, sistemática y rigurosa de conocer la realidad. Esta investigación busca controlar situaciones prácticas concibiendo la innovación técnica, artesanal e industrial como propiamente científica (Vargas Cordero, 2009).

Según Hernández Sampieri et al., (2014) la investigación aplicada inclusive los que tienen como justificación lo productos tecnológicos, presenta planteamientos útiles para evaluar, comparar, interpretar, establecer precedentes y determinar causalidades e implicaciones.

La metodología aplicada será del tipo cuantitativa ya que se realizarán mediciones dentro del sistema de pre tratamiento, además se establecerán especificaciones de diseño y mediante cálculos se hallarán las variables de diseño.

2.2. DISEÑO EXPERIMENTAL

El método de diseño experimental fue el diseño factorial 3² se utilizó para determinar los efectos de las principales variables operativas para el tratamiento de agua de pozo de la planta láctea del distrito de Pilcomayo en función de una presión y flujo.

Tabla 1 Niveles de las variables Variables

Presión (PSI) 10 15 20

Flujo (gpm) 3 4 5

Fuente: propio

Tabla 2 Matriz de diseño experimental

Variables

35 Experimento Presión Flujo

1 -1 -1

2 0 -1

3 1 -1

4 -1 0

5 0 0

6 1 0

7 -1 +

8 0 +

9 1 +

Fuente: Propio

El modelo estadístico aplicada será:

𝑌_𝑖𝑗𝑘 = 𝜇 + 𝛼_𝑖 + 𝛽_𝑗+ +(𝛼𝛽)_𝑖𝑗 + 𝜀_𝑖𝑗𝑘

Para la remoción del plomo utilizando la resina aniónica en el tratamiento de las aguas del canal de irrigación MERYS, se seleccionó dos factores la presión y flujo con 3 niveles para la presión (10 psi, 15 psi y 20 psi) y flujo (3 m³/h, 4 m³/h g y 5 m³/h).

2.3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 2.3.1. Materiales

✓ Cooler grande

✓ Cooler pequeño

✓ Frascos de plástico

✓ Baldes de plástico transparentes y limpios

✓ Pizetas

✓ Guantes descartables

✓ Mascarilla

✓ Papel filtro Nº 42

✓ Botas de jebe

✓ Guardapolvos

✓ Lentes

✓ Ponchos impermeables

✓ Casco

36 2.3.2. Reactivos

✓ La resina Lewatit S 1567

✓ Carbón activado

✓ Cloruro de sodio 2.3.3. Equipos

✓ Cámara fotográfica

✓ PHmetro

✓ Balanza electrónica

2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.4.1. Monitoreo de las aguas de pozo

Para el monitoreo del agua de pozo, se tomó como referencia el protocolo de monitoreo de la calidad de los recursos hídricos (Protocolo de Monitoreo de La Calidad de Los Recursos Hídricos, 2011).

A. Pre-Monitoreo

• El monitoreo se realizó en épocas de lluvias donde la turbidez se incrementa.

• Se alisto materiales (cooler grande y pequeños, frascos de plástico, baldes de plástico transparentes y limpios, pizetas, guantes descartables y mascarilla), equipos (GPD, multiparámetro, cámara fotográfica), formatos para el monitoreo (etiquetas, registro de datos de campo y cadena de custodia) y equipos de protección personal (botas de jebe, guardapolvos, lentes, ponchos impermeables, lentes y casco).

B. Monitoreo

• Antes de iniciar se tuvo rotulado y etiquetado los frascos a utilizar en el monitoreo, con los datos: nombre del solicitante, código de muestreo, tipo de cuerpo de agua, fecha y hora de muestreo, nombre de responsable de toma de muestra y tipo de análisis requerido.

• Se medió la profundidad del pozo con una sonda con línea con graduación profunda.

• Se utilizó una bomba de profundidad para obtener muestras representativas de agua en donde se medirá los parámetros de campo (pH, conductividad, temperatura y oxígeno disuelto) los cuales se registraron en el formato de registro de datos de campo; además se tomó la muestra sumergiendo el frasco aproximadamente a 30 cm en el agua obtenido por la bomba.

37

• Se llevó el frasco al cooler para su preservación y se rellenó el formato de cadena de custodia para mandar a su análisis.

C. Post- Monitoreo

• Las muestras de agua fueron enviadas al laboratorio para su caracterización inicial, se analizó los parámetros de calidad organoléptica tal como se muestra en la tabla 3.

Tabla 3: Parámetros de calidad organoléptica

Parámetros Unidad de

medida

1 Color PCU escala

Pt/Co

2 Turbiedad UNT

3 Dureza total mg CaCO3/L

2.4.2. Evaluación de la presión y el flujo de operación del sistema de tratamiento Para evaluar la presión de operación en el sistema de pre tratamiento de agua de pozo se colocó un manómetro antes del filtro multimedia y un manómetro después del ablandador.

Para la evaluación del flujo de operación en el sistema se utilizó un caudalímetro.

2.4.3. Determinación de la velocidad de filtración del filtro multimedia

Para el diseño del filtro multimedia se necesitó los siguientes componentes (UNATSABAR, 2005):

• Tanque de fibra de vidrio

• Válvula de retrolavado automática

• Medio filtrante: TurbiClean A. Variables de operación

• Dimensión del tanque 14’x65’

B. Variables de diseño

• Área de filtrado (m²)

• Diámetro del filtro

• Altura del tanque

• Cantidad de TurbiClean C. Procedimiento

• Primero se recopilo la información técnica del TurbiClean

38

• Se recopilo información del diseño del filtro multimedia

• Para el dimensionamiento del filtro a escala de la industria láctea se recibió asesoría.

• Se medió las áreas donde se instaló el filtro multimedia dentro del laboratorio y de la planta láctea.

• Se halló la velocidad de filtración del filtro multimedia con los siguientes cálculos:

Velocidad de filtración

El área de filtrado se determinó mediante la siguiente formula:

𝑉 =𝐹𝑡

𝐴 (1) Donde:

A= área de filtrado (m²)

Ft= Caudal total del filtro (gpm) V=velocidad de filtración (gpm/ft²)

El caudal que se alimentó al filtro multimedia fue:

Ft min = 3 gpm Ft med = 4 gpm Ft max=5 gpm

Área del filtro

Al ser el diámetro 10’ (10 in ≅ 0,83 ft) y la altura del tanque de 54’, según las especificaciones de TurbiClean se necesita un total de TurbiClean de 1,5 ft³ (anexo 4).

Al ser el filtro de sección circular el área total se halló con la siguiente ecuación:

𝐴 =𝐷²𝜋

4 (2) Donde:

D=Diámetro del tanque (m) A=área del filtrado (m²)

Reemplazando el diámetro en la ecuación (2) 𝐴 =0,83²𝜋

4 = 0,54 ft²