Ingeniería Química

Ingeniería Química

lunes, 20 de enero de 2014

Reducción de materia orgánica natural en aguas continentales mediante adsorción con PAC

1. INTRODUCCIÓN
 
Objetivos
 
1. Estudio de los principales factores que influyen en el proceso de adsorción mediante carbón activado.
2. Obtención de la dosis óptima de PAC para la reducción de la MON en aguas naturales.
 
Conceptos básicos
 
     Las aguas superficiales contienen materia orgánica natural (MON) que le confieren un olor y color
inadecuado, además de posibles formaciones de complejos con metales y pesticidas que la invalidad para  consumo humano. Además, no puede ser eliminada con cloro por la formación que esta adición supondría de organoclorados, sustancias que son tóxicas e incluso mutagénicas. Para evitar su formación, se usan otros métodos como la adsorción con carbono activo, ultrafiltración,… En esta práctica, el método de estudio será la adsorción con carbono activo, basado en los siguientes conceptos:

     -La capacidad de adsorción de los materiales, se estudia con isotermas de adsorción, en las que se muestran la distribución del adsorbato entre el carbón y la disolución cuando se alcanza el equilibrio entre ellos.
     -La isoterma más representativa es la de Freundlich, cuya expresión viene dada por:


donde “x” es la cantidad de adsorbato, "m" la de adsorbente empleada, “c” la concentración de adsorbato remanente y “kF" y "n” constantes.

     Para obtener el valor de las constantes, tan sólo tendremos que representar los logaritmos de los parámetros conocidos, obteniendo dichas constantes a partir de las pendientes y ordenadas en el origen. Para hallar dichos parámetros, usaremos el espectrofotómetro a UV 254 nm, que indicará la cantidad de materia orgánica total del agua. La expresión anterior, se ajusta bastante bien a la realidad, en los casos en que la adsorción sea para un solo soluto.
Para mezclas de solutos, usaremos la ecuación modificada de Freundlich:
 
 
donde d0 es la cantidad de adsorbente (mg de adsorbente)

     Dado que las aguas naturales están compuestas por una mezcla de compuestos orgánicos, y la solución de ácidos húmicos también, la ecuación que se aproximará en mayor medida a la realidad, será la modificada de Freundlich.

Materiales y montaje

-Recipientes de vidrio
-Carbón activo
-Ácido húmico
-Espectrofotómetro
-Balanza
-Agitadores magnéticos
-Solución ácido húmico comercial
 
Procedimiento
 
-Se toman muestras de carbón activo con diferentes cantidades (0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.2 y 0.3 g cada una) que se introducirán en recipientes de vidrio.
-Introducir en cada una de las muestras de carbón activo 100 ml de una muestra que contiene ácido húmico.
-Agitaremos las muestras durante 64 horas (tiempo en el que se alcanza el equilibrio de adsorción)
-Repetir los pasos anteriores con una muestra que contenga la misma cantidad de carbón activo pero usando agua procedente del estanque situado en la Universidad de Alicante en lugar del ácido húmico. Dichas muestras serán realizadas entre dos grupos de prácticas. En nuestro caso, las llevamos a cabo con el grupo número 2. Contaremos así con 6muestras de ácido húmico y otras seis de agua del estanque a analizar.
-Tras las 64 horas de agitación, filtraremos las muestras.
-Mediremos la absorción de las muestras filtradas con el espectrofotómetro a 254 nm.
 
2. CÁLCULOS Y RESULTADOS
 
a. Representación en forma tabulada y gráfica de la ecuación de Freundlich (tanto ajustada como no), tanto para la muestra de agua como para la muestra de ácido húmico.
 
     Como hemos mencionado antes, la expresión de la ecuación de Freundlich es la siguiente:
 
De donde poniendo logaritmos, la expresión se queda:
 
 
por tanto, representando log q frente a log Ce, podremos hallar los valores de las constantes.
Para la ecuación ajustada:
 

Representaremos  log qe vs.  log (ce/d0), obteniendo las constantes a partir de la pendiente y de la ordenada en el origen también. 
 
MUESTRA ÁCIDO HÚMICO I
 
muestra
absorbancia
M
X
q
D0
a
0,968
0
-
-
-
b
0,759
0,011
0,209
19,00
0,00011
c
0,686
0,051
0,282
5,53
0,00051
d
0,651
0,099
0,317
3,20
0,00099
e
0,558
0,209
0,41
1,96
0,00209
f
0,529
0,300
0,439
1,46
0,003


  
 
Como cabía esperar, el ajuste obtenido en el segundo caso es bastante mayor.
 
MUESTRA ÁCIDO HÚMICO II
 
muestra
absorbancia
M
X
q
D0
a
0,066
0
-
-
-
b
0,015
0,01
0,051
5,10
0,0001
c
0,010
0,05
0,056
1,12
0,0005
e
0,002
0,2
0,064
0,32
0,002
f
0,001
0,3
0,065
0,22
0,003
 
     Como vemos, para ambos casos, la expresión modificada de Freundlich, se ajusta mejor a lo esperado (a una recta). Y mejor aún en el caso de la muestra de ácido húmico que en la del agua del estanque. Resultado que ya esperábamos puesto que ambas aguas contenían más de un soluto disuelto, lo que explica por qué en ambos casos la modificada se ajusta mejor a la realidad. Además, la muestra de ácido húmico al contener menos tipos de solutos, se ajusta bastante mejor a la realidad, tanto para el caso de la modificada como para la no modificada. Sin embargo, en este caso la modificada sigue dando mejores resultados.
    
     En cuanto a los parámetros obtenidos, los de la ecuación ajustada son bastante parecidos, al igual que los de la ecuación sin modificar lo son entre sí. Sin embargo, si comparamos para una misma muestra los parámetros obtenidos en el caso de la ajustada y la no ajustada, vemos que existen grandes diferencias, pues al fin y al cabo son ecuaciones diferentes.
 
 
b. Indicar la dosis de PAC necesaria para la eliminación del 50% y del 90% de MON en cada una de las series ensayadas.
 
     Para ello, usaremos los parámetros calculados anteriormente y la isoterma de Freundlich cuyos parámetros se acercan en mayor medida a nuestros resultados (de donde despejaremos la cantidad de carbón activo necesaria):
 
 
 
 
  Gramos de carbón activo en 100 ml de disolución
 
Agua estanque
Ácido húmico
90%
0,047
157,49
50%
0,003
0,577
 
3. CUESTIONES

a. Comentar los principales factores que influyen en el proceso de adsorción mediante carbón activado: tipo de materia orgánica presente en el agua, presencia de sales, pH…

-El proceso de adsorción dependerá de:
-El tipo de compuesto que desee ser eliminado. Los compuestos con elevado peso molecular y baja solubilidad se absorben más fácilmente. También los compuestos de baja presión de vapor/alto punto de ebullición y alto índice de refracción son mejor adsorbidos.
-La concentración del compuesto que redesea eliminar. Cuanta más alta sea la concentración, más carbón se necesitará.
-Presencia de otros compuestos orgánicos que competirán con otros compuestos por los lugares de adsorción disponibles.
-La temperatura: Cuanto más baja sea la temperatura, mejor será la capacidad de adsorción (pues influye sobre la velocidad del proceso y el estado final de equilibrio).
-Presión: Cuanto mayor sea la presión, mayor será la capacidad de adsorción.
-Humedad: Cuanto más baja sea la humedad, mayor será la capacidad de adsorción.
-El pH que afecta al grado de ionización de los compuestos ácidos o básicos. Es frecuente que un pH ácido facilite la adsorción sobre carbón activo.
-La distribución entre ácido hipocloroso e ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se las define como cloro libre. Las dos son fuentes oxidantes que al ser adicionados al agua empiezan por reaccionar de manera casi inmediata con materia orgánica e incluso con sales inorgánicas y susceptibles de oxidarse. Pudiendo formarse halometanos cuando este reacciona con dicha materia orgánica.
 
4. CONCLUSIÓN.

     La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas. Cabe citar la eliminación de compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico.

     Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. El adsorbente más ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales es, no obstante, el carbón activo.

     Entre los aspectos positivos de la adsorción como método de tratamiento de aguas residuales cabe señalar: su capacidad para trabajar eficazmente a concentraciones bajas de contaminante, su flexibilidad frente a las variaciones de caudal y concentración, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidad de automatización, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico.

     Entre los aspectos negativos hay que señalar que el coste de operación suele ser comparativamente alto y, por esta razón, su empleo queda restringido, en general, a los casos de necesidad o a otros en que convenga reutilizar las aguas tratadas…

     Una de las principales aplicaciones del carbón activado es la eliminación de cloro libre del agua. Dicho compuesto no proviene de las fuentes naturales de abastecimiento, tales como pozos, ríos o lagos. Tampoco es contaminante, sino que es un reactivo químico que se le agrega al agua, principalmente como desinfectante y en ocasiones para controlar olor y sabor, y controlar el crecimiento biológico o eliminar amoniaco.

     La distribución entre ácido hipocloroso e ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se las define como cloro libre. Las dos son fuentes oxidantes que al ser adicionados al agua empiezan por reaccionar de manera casi inmediata con impurezas orgánicas e inorgánicas y susceptibles de oxidarse. El cloro que reacciona en esta etapa deja de ser libre y pasa a ser combinado. El restante requiere de algún tiempo que puede ir de unos cuantos segundos a varías decenas de minutos, según su concentración, para ejercer un efecto biocida en los microorganismos. Se cree que la toxicidad del cloro libre radica en la reacción de éste con el sistema enzimático de las células.

     El cloro que interviene en esta etapa de desinfección, también se combina y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario eliminar el cloro libre residual, no sólo porque es tóxico para el ser humano, sino porque imparte un mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña a la mayoría de las resinas de intercambio iónico utilizadas en los suavizadores y en los desmineralizadores, y afecta a las membranas de ósmosis inversa.
 Aunque se han desarrollados varios procesos para disminuir los niveles de cloro libre en agua, la decloración en un lecho fijo de carbón activo granular (carbón activado granular) ha sido el más rentable

Factores a tener en cuenta en la elaboración de nuestra práctica:
     -En nuestro caso, la necesidad de tamponar la muestra se debe a que el carbón activado puede alterar el pH de la solución, ya que este puede comportarse como una sustancia ácida o básica.
     -Para el cálculo de la cantidad de adsorbato retenido por el adsorbente (X), ha sido necesario llevar a cabo la medida de la absorbancia de una muestra blanco que no contenía carbón activado (y que por tanto tampoco ha sido necesario filtrar). De forma que el cálculo de dicho parámetro se obtiene por diferencia entre la absorbancia de la muestra en sí menos la absorbancia de la muestra blanco.

5. BIBLIOGRAFÍA
 

 

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Libros de los que disponemos

  • Adsorción física de gases y vapores por carbones
  • Handbook of petrolium refining processes
  • Introducción a las operaciones de separación. Cálculo por etapas
  • Química orgánica J. Macmurry
  • Residuos orgánicos y agricultura (U. Alicante)