Lab DOSIS ÓPTIMA DE COAGULANTE

DOSIS ÓPTIMA DE COAGULANTE Autores: Cotes Rojano Sharon Dayana Gallo Vélez, David Tascón Calvache, Ana Camila Villamizar Sierra, Rosa Elvira

ING. AMBIENTAL Y SANITARIA FACULTAD DE INGENIERIA UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA

INTRODUCCIÓN: En el tratamiento de aguas crudas se realizan diferentes procedimientos para remover los sólidos presentes y desinfectar el agua de manera que este en óptimas condiciones para el consumo humano. Una de las etapas del tratamiento es la coagulación para la cual se utiliza un reactivo químico que desestabiliza las cargas de los colides permitiendo que estos se unan formando partículas de mayor tamaño. En la práctica no sería adecuado adicionar una cantidad arbitraria de coagulante porque esto podría representar sobrecostos al encargado de realizar el tratamiento del agua o, si se agrega una cantidad menor que la necesaria, la coagulación no sería efectiva. Por esta razón se deben realizar ensayos previos en el laboratorio para determinar la cantidad óptima de coagulante que se debe adicionar a un agua cruda con determinadas condiciones

OBJETIVOS: General Determinar la dosis óptima de coagulante para el tratamiento de una muestra de agua cruda. Específicos  Analizar la incidencia del pH y la alcalinidad con el proceso de coagulación.  Comparar los valores de turbidez con el porcentaje de remoción de sólidos suspendidos 

MARCO TEORICO: La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas, esto implica la formación de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo. Existen dos modelos de la coagulación. El modelo físico o de la doble capa, basado en fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión. El otro modelo es químico, llamado “puente químico”, que relaciona una dependencia entre el coagulante y la superficie de los coloides. Para la coagulación existen también dos modelos. El primero es llamado ortocinético, el cual es promovido por agitación externa principalmente. Influyen partículas de tamaño superior al micrón y tiene relación con los gradientes de velocidad del líquido. El segundo modelo se llama pericinético y se diferencia del primero en que su fuente de agitación es interna. Principalmente importarán el movimiento browniano y la sedimentación. Su efecto es principalmente sobre partículas de tamaño inferior a 1 micrón. (Universidad de Chile) METODOLOGÍA: Materiales:     

Equipo pruebas de jarra Turbidímetro pH metro Beakers o Vasos de precipitado (1l) Sulfato de

aluminio

tipo

B

Procedimiento: 

A una muestra de agua cruda inicial se le determinan alcalinidad, pH y turbiedad.



Se toman seis vasos de precipitado marcados de 1 a 6 y en cada uno de ellos se añade el mismo volumen de agua cruda (900ml). A cada uno de estos vasos se añadirá una cantidad diferente de coagulante (20,30,35,40,45 y 50 mg/l respectivamente)



Preparamos la solución del coagulante (Sulfato de aluminio) tipo B al 1 %. Esta solución se prepara añadiendo 1g de sulfato de aluminio por cada 100ml de agua destilada.



Con algún dosificador se toma el volumen de Solución coagulante necesaria para que haya una equivalencia con la medida en mg/l que se desea añadir a cada Beaker.



Después de tener los volúmenes de coagulante para cada Beaker, colocamos el equipo de pruebas de jarra a una velocidad de 130 rpm y posteriormente y de manera simultánea agregamos el coagulante para cada vaso de precipitado, dejándolo actuar durante 1 min.



Pasado el minuto, se baja la velocidad a 45 rpm por un transcurso de 15 minutos. Apagamos el equipo y dejamos que los floculos sedimenten por 3 minutos.



Tomamos una muestra de 20 ml de cada jarra al mismo tiempo y finalmente a cada una de estas muestras se le determinan nuevamente la turbiedad, pH y alcalinidad remanentes.



Este procedimiento se repite (55,60,70,90,100,120) mg/l

para

las

siguientes

medidas

RESULTADOS: Procedencia Aspecto Turbiedad (UNT) Ph Alcalinidad (mg/l) Temperatura (°C)

Elaborada RECIPIENTE 1 Turbio 59 7,3 319,25 25

Tabla 1. Condiciones iníciales del agua cruda recipiente 1

Procedencia Aspecto

Elaborada RECIPIENTE 2 Turbio

Turbiedad (UNT) Ph Alcalinidad (mg/l) Temperatura (°C)

28,78 7,3 349,5 25

Tabla 2. Condiciones iníciales del agua cruda recipiente 2.

de

coagulante

Jarra Dosis(mg/l) ml sln agregados

1 2 20 30 1,8 2,7 2,16 1,39

Recipiente 1 3 4 5 35 40 45 3,1 3,6 4 4,10 1,11 1,1

6 50 4,5 4,71

Turbiedad remanente (UNT) pH 7,28 7,18 7,24 7,25 7,26 7,17 Alcalinidad 320,5 286 346,5 279 324,25 309 Remanente(mg/l) Tabla 3. Medición de las condiciones remanentes, recipiente 1.

Jarra Dosis(mg/l) ml sln agregados Turbiedad remanente (UNT) pH Alcalinidad Remanente(mg/l)

1 55 5 1,32

2 60 5,4 2,45

Recipiente 2 3 4 5 70 90 100 6,3 8,1 9 5,89 3,02 3,92

6 120 10,8 3,67

7,14 7,11 7,04 6,99 6,94 6,88 278 259 299 252 244,5 237,9

Tabla 4. Condiciones finales agua recipiente 2.

Muestra 1 Dosis Coagulante Reducción de turbidez (%)

20

30

35

40

45

50

96,3

97,6

93,1

98,1

98,1

92,0

Tabla 5. Reducción de la turbidez relacionada con una cantidad de coagulante M1.

Muestra 2 Dosis Coagulante Reducción de turbidez (%)

55

60

70

90

100

120

95,4 91,5 79,5 89,5 86,4 87,3

Tabla 6. Reducción de la turbidez relacionada a una cantidad de coagulante M2.

Ilustración 3. Condiciones iniciales de la muestra de agua.

Ilustración 2. Condiciones del agua durante el proceso de sedimentación.

ANALISIS DE RESULTADOS:

Dosis Vs. Turbiedad Turbiedad

8 6 4

Dosis de coagulante Vs. Turbiedad Recipiente 1.

2

Dosis de coagulante Vs. Turbiedad Recipiente 2.

0 0

50

100

150

Dosis de coagulante

A partir de la grafica anterior podemos observar que existen tres valores atípicos de la turbidez en las muestras, dado que no coinciden con el patrón de variación anterior. Estos valores pueden estar asociados a una contaminación de la muestra durante el transvaso del Beaker al recipiente donde se mide la turbidez en el nefelómetro.

% Remoción de solidos suspendidos

Para evaluar la efectividad de las distintas dosis de coagulante utilizadas, lo mejor es comparar la dosis agregada con el porcentaje de remoción de sólidos suspendidos. Este último se expresa en función de la turbiedad que está directamente asociada a los sólidos suspendidos de una solución.

Dosis Vs. % Remoción de sólidos suspendidos 120,0 100,0 80,0 Dosis Vs. % Remoción Muestra 1

60,0 40,0

Dosis Vs. % Remoción Muestra 2

20,0 0,0 0

50 100 Dosis Coagulante

150

De la grafica anterior se puede deducir que la dosis optima de coagulante es 45 mg/l debido a que esta permitió una remoción del 98,1% de los sólidos suspendidos que se encontraban en el agua cruda, sin embargo, debido a los errores procedimentales, se recomienda ubicar esta dosis en un rango de 40-55 mg/l . Donde hubo porcentajes de remoción por encima del 95%.

pH

Dosis Vs. pH 7,3 7,2 7,1 7 6,9 6,8

Dosis Vs. pH Recipiente 1. Dosis Vs. pH Recipiente 2 0

50

100

150

Dosis coagulante

Alcalinidad

Dosis Vs. Alcalinidad 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Dosis Vs. Alcalinidad Recipiente 1. Dosis Vs. Alcalinidad Recipiente 2 0

50

100

150

Dosis coagulante

Lo anterior muestra una interdependencia leve entre el coagulante agregado y las condiciones de pH y alcalinidad, lo cual es lógico teniendo en cuenta que al adicionar una sal (Sulfato de aluminio) el pH varia hacia el lado ácido. Por consiguiente, la alcalinidad o basicidad se ve disminuida. Por otro lado, en las tablas 3 y 4 (especialmente la 4) se evidencia que a medida que el pH se reduce, es decir, adquiere valores ligeramente ácidos se presenta una mayor turbidez en las muestras de agua por lo cual Debido a los errores obtenidos en algunos valores de turbiedad, no es posible realizar una grafica que compare esta cantidad con el pH y la alcalinidad debido a que no se obtiene un trazo lógico que permita deducir alguna información. Si se desea evaluar la interdependencia de la turbidez con estos dos aspectos, se debe realizar de nuevo el ensayo de laboratorio. Como se puede observar en la Tabla 7 el valor máximo permisible de turbiedad apta es de 2 UNT para el consumo humano. En nuestra experiencia, sugerimos una dosis optima de coagulante que estaba en el rango de 40 – 45 mg/l. Comparándola con la resolución se puede aseverar que dicha dosis es la adecuada y cumple con la exigencia establecida, puesto que la turbiedad de las jarras 4 y 5 correspondientes a esas dosis son las más bajas. También podemos concluir que las dosis de 20, 35 y 50 están totalmente descartadas por la resolución, en el recipiente 2 solo la dosis de 55mg/l cumple con la exigencia de la resolución.

En adelante, la turbiedad del agua después de ser tratada seguía elevada, confirmando lo dicho en el apartado anterior que el exceso de coagulante sería contraproducente. Así mismo elevaríamos los costos, aspecto que un ingeniero debe evitar a toda costa

Tabla 7. Características físicas permisibles para el consumo humano Dec. 1575 de 2007

CONCLUSIONES:

 





La dosis óptima estimada es de 45mg/l. Se sugiere realizar otro ensayo con dosis entre los 40-55 mg/l para obtener un dato más preciso. Las tablas 3 y 4 (especialmente la 4) muestra la relación que existe entre el pH y la turbidez del agua. Se evidencia que mientras el pH es toma valores más pequeños, es decir, de carácter acido, la turbidez de las muestras es mayor o sea que hay menor remoción de sólidos suspendidos. De manera general, el porcentaje de remoción de sólidos estuvo por encima del 90% en las dosis de coagulante por debajo de los 70mg/l . A partir de este valor, la remoción de sólidos se ubico entre el 80 y el 90%. Es decir que añadir coagulante en exceso resulta más contraproducente, para el tratamiento de aguas crudas, que añadir una cantidad inferior. Cuando se aplica la dosis óptima de coagulante se logran reducir los niveles de turbiedad a los que se encuentran permitidos por el Dec. 1575 de 2007 que establece las condiciones adecuadas para el agua que se utiliza para el consumo humano.

Ilustración 4. Condiciones finales en uno de los vasos utilizados durante el ensayo.

PREGUNTAS Y PROBLEMAS:

1. ¿Cuánto dinero se ahorra mensualmente un acueducto que trata 120 l/seg. si en lugar de utilizar la dosis óptima de sulfato de aluminio, aplica una dosis menor, con resultados satisfactorios? Valor del sulfato de aluminio $1200 / Kg.

2.

¿En qué consisten la Difusión y la Propiedad de Superficie de los coloides?

Difusión Es una de las propiedades cinemáticas de los coloides En un sistema disperso, las partículas se difunden, espontáneamente, desde las zonas de concentración más elevadas a otras de concentración inferior, hasta que la concentración se hace completamente uniforme en todo el sistema.

Esta propiedad responde a la ley de Fick, la cantidad, dq, de sustancia que se difunde en un tiempo dt, a través de un plano de área A, es directamente proporcional a la variación de la concentración, dc, con la distancia recorrida, o sea, que esta ley viene dada por la ecuación:

En donde D es el coeficiente de difusión, que representa la cantidad de sustancia difundida, por unidad de tiempo, a través de un área de unidad cuando dc/dx, o sea, el gradiente de concentración, es la unidad. (Universidad de Chile, 2009) Superficie de los coloides La superficie específica de los coloides en general es muy alta ya que sus partículas son muy pequeñas. Esto permite que tengan una gran capacidad de adsorción de sustancias. A medida que se pulveriza una sustancia aumenta su superficie. Si la superficie de la micela atrae y se une a las moléculas del medio dispersante, el coloide se llama liófilo (atrae los líquidos) si los repele se llama liófobo (repulsión a los líquidos). En el caso de ser el agua el medio dispersante se llaman hidrófilos o hidrófobos respectivamente. La estabilidad de la suspensión coloidal se debe a la existencia de la carga eléctrica del mismo signo en la superficie de las micelas lo que produce repulsión entre ellas y evita su asociación y precipitación. (Rios, 2007) 3. ¿Qué diferencia existe entre la composición del color y turbiedad del agua? Ítem Composición Física

Composición Química

Origen Tamaño Dispersión Intensidad Comportamiento

Color Sustancias disueltas parcialmente coloidales Ácidos orgánicos con pesos moleculares entre 200 y 50000 Orgánico 87% < 0,01 µ Aumenta el pH Se comporta como sustancias disueltas

Turbiedad Arcillas Colídales

Cristales de silicatos

Mineral Entre 0,1 y 10µ No varia pH Se comporta únicamente en suspensiones coloidales

Fuente (Arboleda Valencia, 2000)

Trabajos citados Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y practica de la purificación del agua. McGraw Hill. Rios, E. G. (2007). Quimica. Colombia: Editorial Norma. Universidad de Chile. (22 de Septiembre de 2009). Sistema de Servicios de Informacion y Bibliotecas. Recuperado el 23 de Febrero de 2012, de Reposorio ciencias quimicas y farmaceuticas: http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apfisquim-farm12/c18.html Universidad de Chile. (s.f.). Universidad de Chile. Obtenido de Ciencia abierta: http://cabierta.uchile.cl/revista/15/articulos/pdf/edu4.pdf