Download - Tema 3 Balances 2013 Feb 13
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TEMA 3.BALANCES DE MATERIA Y ENERGA EN MASAS DE AGUA
1. Introduccin2. Sistemas en estado estacionario3. Sistemas en estado no estacionario4. Balances de energa
1
Francisco Javier Bayo BernalCalidad de AguasGrado en Ingeniera CivilUniversidad Politcnica de Cartagena
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1. Introduccin
1 LEY DE LA TERMODINMICA
Conservacin
DISTRIBUCIN DEL CONTAMINANTE
AIRE/AGUA
iw
iaaw C
CK =
SUELO/AGUA
Temperatura Otros disolventes Coloides pH
LEY DE HENRY (1803)
mmsw
omswsw KKK +=
om
omsw
om fKK =
a
mmsw
mm SKK =
Sistema cerrado
wqUEE cp =++
0= pE 0= cE
U = q-w
q = 0 AdibaticoV = 0 (reactor) U = q
== 3mmol
PaC
RTCCPK
iw
ia
iw
iaw
2
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2. Sistemas en estado estacionarioDEFINICIN DE LOS LMITES DEL SISTEMA
Introduccin
Acumulacin
Reaccin Entradas al Sistema
Lmites del Sistema
Salidas del Sistema
Entrada = Salida + Reaccin + Acumulacin
ESTADO ESTACIONARIO CONTAMINANTE CONSERVATIVO
CONTAMINANTE NO CONSERVATIVO
Entrada = Salida + Reaccin
Entrada = SalidaAcumulacin = 0 Reaccin = 0
ESTADO NO ESTACIONARIO
Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes + Sumideros 3
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2. Sistemas en estado estacionarioConservativo
MODELO DE MEZCLA
Metales pesados, NO3-, trazadores, Cl-
re
rreem QQ
CQCQC++
=
CONTAMINANTE CONSERVATIVO
Distancia de mezcladot
WuL
2
1,0=
Mezclado vertical: 90 veces ms rpido que mezclado transversal
RODAMINA-WT
IMAGEN TOMADA DE:Lin et al. (2003). Comparison of rhodamine WT and bromide in the determination of hydraulic characteristics of constructed wetlands. Ecological Engineering 20: 75-88.
xCv
xCD
xtC
xx
=
Prediccin de la concentracin (1D)
Entrada = Salida
4
Qe
Ce Cm
QrCr
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 0CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVO
Entrada = Salida + Reaccin
OD, DBO, T, Cla, R-N, NH3-N, NO2-, NO3-, P, .o.
CN- + O3 CNO- + O2Cintica de orden cero0)( kdt
dCCr ==
0)( kdtdCCr ==
IMGENES TOMADAS DE:Parga et al. (2003). Destruction of cyanide waste solutions using chlorine
dioxide, ozone and titania sol. Waste Management 23: 183-191.
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0VkdtdCV = tkCC 00 =
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1
6
Cintica de primer ordenCkCr 1)( =
CkCr 1)( =CVk
dtdCV 1=
tkeCC 10=
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
IMGENES TOMADAS DE:Kohpaei y Sathasivan (2011).
Chlorine decay prediction in bulkwater using the parallel second order
model: An analytical solutiondevelopment. Chemical Engineering
Journal 171: 232-241.
Degradacin del Cl2 en agua desinfectada
Cintica del proceso de eliminacin de microorganismos en aguas desinfectadas
IMAGEN TOMADA DE:Bayo et al. (2008). Disinfection
efficiency of secondary effluents withultraviolet light in a Mediterranean
area. WIT Transactions on Ecologyand the Environment 111: 511-520.
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2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1
7
Cintica de primer orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
IMGENES TOMADAS DE:Holland et al. (2005). Analysis and modeling of suspended solids from
high-frequency monitoring in a stormwater treatment wetland.
Ecological Engineering 24: 159-176.
Eliminacin de contaminantes en humedales empleados como tanques de tormenta
SLIDOS EN SUSPENSIN FSFORO TOTAL
AMONIONITRATO
IMGENES TOMADAS DE:Carleton et al. (2001). Factorsaffecting the performance of
stormwater treatment wetlands. Water Research 35: 1552-1562.
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2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1
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CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
Modificacin a la cintica de orden 1 IMAGEN TOMADA DE:Lemos de Souza et al.
(2009). Application of infraredand raman techniques in the
identification and quantification of plasticizers
in commercial films of PVSC. Qumica Nova 32: 1452-1456.
IMGENES TOMADAS DE:Vavlin (2007). Corrected first-order
model of DEHP degradation. Chemosphere 68: 1992-1995.
Eliminacin de DEHP del agua residual en CSTR
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2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-primero
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Procesos de adsorcin de metales pesados en aguaCintica de pseudo-primer orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
Modelo de Lagergren (1898)
IMGENES TOMADAS DE:(1) Hanif et al. (2007). Kinetic studies for Ni(II) biosorption from industrial wastewater by Cassiafistula (Golden Shower) biomass. Journal of Hazardous Materials 145: 501-505; (2) Bayo et al.(2012). The use of native and protonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for cadmium(II)
biosorption: equilibrium and kinetic modelling. Environmental Technology 33: 761-772.
( )qqkdtdq
e = 1 ( ) tkqqq ee 303,2
loglog 1=
(1)
(2)eqkv 11 =
-
2. Sistemas en estado estacionarioOrden 2
Cintica de segundo orden
22)( CkCr =
22)( CkCr =
22CVkdt
dCV =
tkCCC
20
0
1+=
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
02
11C
tkC
+=Depuracin de agua residual de la industria textil mediante reactor UAFB
IMGENES TOMADAS DE:Sandhya and Swaminathan (2006).
Kinetic analysis of treatment of textilewastewater in hybrid column upflow
anaerobic fixed bed reactor. ChemicalEngineering Journal 122: 87-92. 10
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2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-segundo
Proceso de bioadsorcin de Cd(II)Cintica de pseudo-segundo orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
IMAGEN TOMADA DE:Bayo et al. (2012). The use of native and
protonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for cadmium(II) biosorption: equilibrium and kineticmodelling. Environmental Technology 33: 761-772.
( )22 qqkdtdq
e =
ee qt
qkqt
+= 22
1
Modelo de Ho and McKay (1999)
ee qt
qk
tq+
=
22
1
222 eqkv =
11
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2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-segundo
Cintica de pseudo-segundo orden
CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin
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IMGENES TOMADAS DE:Bayo (2012). Kinetic studies for Cd(II) biosorption from treated urban
effluents by native grapefruit biomass (Citrus paradisi L.): The competitiveeffect of Pb(II), Cu(II) and Ni(II). Chemical Engineering Journal 191: 278-287.
Eliminacin de Pb(II), Cu(II), Ni(II) y Cd(II) del agua residual mediante bioadsorbentes naturales
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2. Sistemas en estado estacionarioPFR
MODELO DE FLUJO PISTN
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No existe mezcla de los contaminantes a lo largo del recorrido (en el reactor de flujo pistn ideal no existe difusin axial)
QV
vlt ==
Elemento incremental
C C+CAx
Direccin del flujo
V
Entrada Salida + Reaccin = 0
( ) 0=++ CVkCCQQC dxAV =
ktCC = 0 ORDEN 0
kteCC = 0 ORDEN 1
ktCCC
0
0
1+= ORDEN 2
( )qqkdtdq
e = 1 PSEUDO-1
( )22 qqkdtdq
e = PSEUDO-2
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2. Sistemas en estado estacionarioPFR
MODELO DE FLUJO PISTN
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Decoloracin de agua residual mediante sistema UV/H2O2 en reactor de flujo pistn
IMGENES TOMADAS DE:Shu et al. (2005). Effects of gap size and UV dosage on decolorization of
C.I. Acid Blue 113 wastewater in the UV/H2O2 process. Journal of Hazardous Materials B118: 205-211.
CINTICA DE PSEUDO-PRIMER ORDEN
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2. Sistemas en estado estacionarioPFRMODELO DE FLUJO PISTN
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Anlisis del destino de contaminantes en humedales empleados como tanques de
tormenta
Tratamiento de escorrentas urbanas y agrcolas debidas a tormentas
Parmetros de funcionamiento
CARGAHIDRULICA
TIEMPO DERETENCIN
Intensidad de tormenta Volumen de escorrenta Tamao del humedal
CINTICA DE PRIMER ORDEN
AMONIO
FSFORO TOTAL NITRATO
IMGENES TOMADAS DE:Carleton et al. (2001). Factors affecting the performance of stormwater treatment wetlands. Water Research 35: 1552-1562.
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2. Sistemas en estado estacionarioPFR-NO IDEAL
MODELO DE FLUJO PISTN NO IDEAL
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Comportamiento ideal
Comportamiento no ideal
PFR (D=0)
CSTR (D)
2
2
xCD
tC
=
Ley de Fick
Coeficiente de dispersin axial
(m2/s)
Modelizacin de slidos en suspensin en un tanques de tormenta mediante
anlisis de la distribucin de tiempos de residencia
IMGENES TOMADAS DE:Holland et al. (2005). Analysis and modeling of suspended solids
from high-frequency monitoring in a stormwater treatmentwetland. Ecological Engineering 24: 159-176.
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3. Sistemas en estado no estacionario
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VARIACIN DE LA CONCENTRACIN DE UN CONTAMINANTE CON EL TIEMPO EN LA MASA DE AGUA
Sistema de respuesta dependiente del tiempo Modelizado por elementos incrementales Se asume modelo de mezcla completa en dicho elemento
Definicin
Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes + Sumideros
(Adveccin) (Difusin) (Transformacin: generacin o descomposicin)
Q, C
Elemento incremental
Q+Q, C+CAD
A+AD+D
So
Six
Direccin del flujo
V
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3. Sistemas en estado no estacionario
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Ecuacin
Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes + Sumideros
SIMPLIFICACIN
( )( )[ ] CVtCCQQtQC =++
Difusin molecular Movimiento browniano
Generacin Orden 0 Descomposicin Orden 1
CVkVk dg
So
Si
Acumulacin = Entrada Salida + Generacin - Descomposicin
CVkVkQCQCdtdCV dgi += VkQ
VkQCC
d
gi
+
+=Si: 0=dt
dC
xCDJ
=Ley de Fick
scmDagua /1025
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3. Sistemas en estado no estacionario
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Ecuacin
Para cualquier tiempo (t): ( )
++= tV
QkCCCtC dexp)( 0
A tiempo t = 0
( ) 00 0exp CCCCC =+=
A tiempo t =
( ) =+= CCCCC 00
C0
-
-
C0
C
C
Tiempo (t)
Con
cent
raci
n (C
)
VkQVkQC
Cd
gi
+
+=
VkQQCC
d
i
+=
Ct
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4. Balances de energa
20
Entrada = Salida + Variacin de la energa interna
TmCU e=
Energa almacenada en el sistema
CALOR ESPECFICO Cantidad de energa necesaria para elevar en 1 C (15 C 16 C) la temperatura de 1 kg
de materia [J/kgC]
AGUA
4.184 J/kgc1 cal/gC1 Btu/lbF
Ecuacin
IMAGEN TOMADA DE:Masters (1991). Introduction to Environmental
Engineering and Science. Prentice-Hall: New Jersey.
Calores latentes de fusin y vaporizacin del agua
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SOME ENGLISH TERMSTO BE FAMILIAR WITH
Balance de materia Mass balance Contaminante conservativo Conservative pollutant Contaminante no conservativo Non-conservative pollutant (Reactive pollutant) Distancia de mezclado Mixing length Estado estacionario Steady state Estado no estacionario Unsteady state (Dynamic state) Fuente Source Modelo de mezcla Mixing model Reactor continuo de tanque agitado Continuously stirred tank reactor (CSTR) Reactor de flujo pistn Plug flow reactor (PFR) (Tubular reactor) Reactor discontinuo Batch reactor Rgimen turbulento Tidal regime Sumidero Sink 21
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22
MASS BALANCE
TECHNIQUE
IMAGEN TOMADA DE: www.gifmania.com.es
WATER QUALITY BY A CIVIL ENGINEER
PLUG FLOW REACTOR
SOURCES AND SINKS
BROWNIAN MOTION
DYE TRACERS
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Bayo, J. (2012). Kinetic studies for Cd(II) biosorption from treated urbaneffluents by native grapefruit biomass (Citrus paradisi L.): Thecompetitive effect of Pb(II), Cu(II) and Ni(II). Chemical EngineeringJournal 191: 278-287
Bayo, J., Angosto, J.M., Ayala, P. (2008). Disinfection efficiency ofsecondary effluents with ultraviolet light in a Mediterranean area. WITTransactions on Ecology and the Environment 111: 511-520.
Bayo, J., Esteban, G., Castillo, J. (2012). The use of native andprotonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for cadmium(II)biosorption: equilibrium and kinetic modelling. Environmental Technology33: 761-772.
Carleton, J.N., Grizzard, T.J., Godrej, A.N., Post, H.E. (2001). Factorsaffecting the performance of stormwater treatment wetlands. WaterResearch 35: 1552-1562.
Hanif, M.A., Nadeem, R., Zafar, M.N., Akhtar, K., Bhatti, H.N. (2007).Kinetic studies for Ni(II) biosorption from industrial wastewater by Cassiafistula (Golden Shower) biomass. Journal of Hazardous Materials 145:501-505.
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Ho, Y.S., McKay, G. (1999). Pseudo-second order model for sorptionprocesses. Process Biochemistry 34: 451-465.
Holland, J.F., Martin, J.F., Granata, T., Bouchard, V., Quigley, M., Brown,L. (2005). Analysis and modeling of suspended solids from high-frequency monitoring in a stormwater treatment wetland. EcologicalEngineering 24: 159-176.
Karamouz, M., Moridi, A., Nazif, S. (2010). Urban Water Engineering andManagement. CRC Press: Boca Raton, FL.
Kohpaei, A.J., Sathasivan, A. (2011). Chlorine decay prediction in bulkwater using the parallel second order model: An analytical solutiondevelopment. Chemical Engineering Journal 171: 232-241.
Lagergren, S. (1898). About the theory of so-called adsorption of solublesubstances. Kungliga Svenska Vetenskapsakademien Handlingar 24: 1-39.
Lemos de Souza, M., Corio, P., Temperini, M.L.A. (2009). Application ofinfrared and raman techniques in the identification and quantification ofplasticizers in commercial films of PVSC. Qumica Nova 32: 1452-1456.
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Lin, A.Y.C., Debroux, J.F., Cunningham, J.A., Reinhard, M. (2003).Comparison of rhodamine WT and bromide in the determination ofhydraulic characteristics of constructed wetlands. Ecological Engineering20: 75-88.
Lin, S. (2001). Water and Wastewater Calculations Manual. McGraw-Hill:New York.
Masters, G.M. (1991). Introduction to Environmental Engineering andScience. Prentice-Hall: New Jersey.
Parga, J.R., Shukla, S.S., Carrillo-Pedroza, F.R. (2003). Destruction ofcyanide waste solutions using chlorine dioxide, ozone and titania sol.Waste Management 23: 183-191.
Sandhya, S., Swaminathan, K. (2006). Kinetic analysis of treatment oftextile wastewater in hybrid column upflow anaerobic fixed bed reactor.Chemical Engineering Journal 122: 87-92.
Shu, H.Y., Chang, M.C., Fan, H.J. (2005). Effects of gap size and UVdosage on decolorization of C.I. Acid Blue 113 wastewater in theUV/H2O2 process. Journal of Hazardous Materials B118: 205-211.
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Valsaraj, K.T. (2009). Elements of Environmental Engineering.Thermodynamics and Kinetics (3rd ed.) CRC Press: Boca Raton, FL.
Vavlin, V.A. (2007). Corrected first-order model of DEHP degradation.Chemosphere 68: 1992-1995.
Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26