procesos de neutralización

26/2/2015 ProcesosdeNeutralizacin

http://www.cec.uchile.cl/~leherrer/iq651/Apunte1/Fisicoqapu01.htm 1/25

ProcesosdeNeutralizacindeResiduosIndustrialesLquidos

(odeAbatimientoenRILES)LeandroHerreraZ.,Ph.D.

INDICEDECONTENIDOS(pincheenelasteriscodecadatpicoenelndiceparairaesaseccin)

1.INTRODUCCION*

2.TRATAMIENTOSPRIMARIOSY/OPRETRATAMIENTOS*

2.1.Retencindedesbordesyecualizacin(homogeneizacin)*

2.2.Neutralizacin*

2.2.1.Procesostpicosdeneutralizacin*2.2.2.SistemasUtilizadosparaneutralizacin*2.2.3.Controlautomticodeneutralizacin*

3.TRATAMIENTOSENELPROCESO*

3.1.Remocindemetalespesados*

3.1.1.Tratamientos*3.1.2.CROMO*3.1.3.Arsnico*3.1.4.Bario*3.1.5.Cadmio*3.1.6.Cobre*3.1.7.Fluoruros*3.1.8.Hierro*3.1.9.Plomo*3.1.10.Manganeso*3.1.11.Tabladeefluentesobteniblesmediantediversosprocesosenlaremocindemetalespesados*

4.FLOTACION*

4.1.FlotacinmedianteAireaPresin*

4.1.1.Disolucindeaireapresin*4.1.2.Desolubilizacindeaire*4.1.3.Flotacin*4.1.4.Remocin*4.1.5.Solubilidadyrelajacindeaire*4.1.6.Variablesdediseo*

4.2.Flotacinporaireinducido*

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5.OperacionesUnitarias*

5.1.ClasificacindelasOperacionesUnitarias*5.2.Sedimentacin*

5.2.1.Sedimentacinsimple*5.2.2.Sedimentacinfloculenta*5.2.3.Sedimentacindeflculosbienformados*

6.Qusiguedeaqu?*7.Apndice:ReduccindeSulfato*

7.1.RESUMEN*7.2.Introduccin*7.3.Losprocesosmineros*

7.3.1.AlternativasdeProceso*7.3.2.EjemplodeProceso*

7.4.ElementosdeAnlisisEconmico*

7.4.1.BalancedeMateriales*7.4.2.AnlisisEconmicoSimplificado*7.4.3.AnlisisEconmicosimplificadodelusodecidosulfrico*

7.5.Conclusin*7.6.REFERENCIAS*

INTRODUCCION

Lautilizacindeprocesosfsicoqumicosy/obioqumicosparaeltratamientodeefluentesindustrialeslquidosocurri,histricamente,conposterioridadalautilizacinmasivadeprocesosindustrialesesdecir,fuedeintersparalahumanidadlaproduccinindustrialantesdetomarnotadequelosprocesosdetransformacindelosmaterialesproducanunimpactonegativosobreelmedioambiente.

Hoyenda,eldiseodeunaplantaindustrialdebecontemplar,desdelaingenieraconceptual,queeldiseodelsistemagloballlevelasdescargadeexcedentesgaseosos,slidosylquidosacumplirlasnormativasambientalesvigentes,buscandoademslamscompletareutilizacindemateriales.

Durantelostiemposenqueeltratamientoderesiduosseinstalabaalacoladelaplantaindustrial,conocidocomoprocesos"alfinaldelalnea"o"EndOfPipe"(prcticaqueantienecabidaeneldiseomoderno)seutilizaronesquemasquesefuerondepurandoconcadanuevocasoenfrentado.As,surgiunaramadelaingenieraqueintentsistematizarlasnormasdediseoqueseutilizaban,enlaprctica,paradepurarefluenteslquidos.

Siserecurrealaestandarizacinyformalizacintpicasdelaingeniera(W.W.Eckenfeldr,Idustrialwaterpollutioncontrol,McGrawHill,1989),paravisualizarlasprcticasdediseoylasopcionestecnolgicasdehoy,sepuedellegaradiagramasquecapturan,enformasinttica,lasdiversasalternativas.Eldiagramadelafigura1.11resultatilparaenfatizarqueexistenmuchasrutastecnolgicasparaunmismoefluenteindustrialyqueserslomedianteunanlisisexhaustivoquesepodroptimizarlaopcinautilizar.

Eldiagramaestambintilparadefinirunanomenclaturaque,sibientienesusraceshistricashacemuchosaos,aunsesueleescucharhoyenda:tratamientosprimario,secundario,terciario,depuracin,etc.Engeneral,espreferibleclasificarlosprocesosdeacuerdoasusprincipiosfsicoqumicos(sedimentacin,decantacin,filtracin,centrifugacin,digestin,etc.)perosedebeestaralertaalanomenclaturatradicionalafindecomunicarseadecuadamente.

Enesteapunteseutilizarnambasnomenclaturasylaincorporacindenuevosprocesosaexaminarservistacomopartedelasrutastecnolgicascontenidaseneldiagramadesntesis.



Elapunteconsideraquelosalumnosconocen,enbuendetalle,lasoperacionesdefiltracin,sedimentacinydecantacin,ademsdenocionesdecentrifugacin.Similarmente,sesuponealgunanocin,sibiennodediseo,delasoperacionesbioqumicasde"digestin"deorgnicos.

Figura1.11:Diagramadesntesisdelasoperacionesconvencionalesquecomponenprocesosdeabatimientoderesiduosindustrialeslquidos.Eldiagramamuestra,adems,losnombresasignadoshistricamentealasetapasdeproceso(primario,secundario,etc.).

TRATAMIENTOSPRIMARIOSY/OPRETRATAMIENTOS

Lanocindetratamientosprimariosseencuentraenelementoshistricosprovienedetiemposenlosquelos"tratamientos"seaplicabanalasaguasservidasyresultabanecesarioinstalarciertosprocesosdesimpleretencindeslidosprevioaladescargaacaucessuperficialesoelmar.Dadoqueposteriormenteseaplicaronotrostratamientos,acontinuacindeste,selesllamoprimarios.

Alternativamente,eltrminopretratamientosconllevaalamismanocindeadaptaralascondicionesdelosprocesosquecontinansinimplicarunanotacindeorden(primario,secundario,terciario).Bienpuededarseelcasodequeunpretratamiento,porejemplounahomogeneizacindelflujo,seguidodeunaneutralizacindeacidez,seatodoloqueunaindustriarequiereendichocaso,unaecualizacinyunaneutralizacinserntodaslasetapasnecesariasparaesaindustria.Sepuedeobservarquelanotacindeprimarionoresultaadecuadamientrasqueladepretratamientonoimplicacompromisosinnecesarios.

Endefinitiva,lostrminosnotienenningunafuncinmsalldeayudaraorganizarlosconceptos.Severnacontinuacinlasoperaciones:

RetencindedesbordesEcualizacin(Homogeneizacin)Neutralizacin(acidez,alcalinidad)SedimentacinFlotacinFiltracinReaccionesqumicas(coagulacin)

Retencindedesbordesyecualizacin(homogeneizacin)

Objetivo:Minimizarocontrolarlasfluctuacionesdecaudaly/odecomposicinparaoptimizarlascondicionesdeprocesossubsecuentes.Enlasoperacionesindustriales,particularmente,lospropsitosson:



Amortiguarlasvariacionesdecargaorgnica,evitandolasdescargasdegolpe(schockloading).Minimizarrequerimientosdeneutralizante(pHvariante).Minimizarcambiosbruscosenlacargadesistemasfsicoqumicos(dosificacionesdentrode

unrangodado).Mantenerprocesosbiolgicosauncuandolaplantapare.Prevenircargastxicaspuntuales(tip.fenol).

Losecualizadoressuelenagitarseyairearse(previenesedimentacinyputrefaccin.Elmezcladosesueleconseguirmediante:

DistribucindelflujodeentradaybaflesTurbinasmecnicas(mscomn)Aireacinporairedifundido(3,7m3aire/m3residuo)Aireacinmecnicaensuperficie(3a4W/m3).

Sepuedeecualizarflujo,cargaoambos.

Laecualizacindeflujoimplicauntanquedevolumencambiante.Ecualizacindecarga(concentraciones)puederealizarseentanquesdevolumenconstante.

Suelesermstilunejemplodeclculodehomogenizadoresquesudescripcinverbal.Considere,comoejemplo,unaplantaqueopera12horasperoquerequiereprocesosbiolgicosquenosepuedensecarniquedarsinsustrato,esdecir,debenoperar24horasdelda.Serequiereuntanquedeunvolumentalquepermitacapturarlamitaddelvolumenefluenteatratarparaalimentarelprocesodurantelashorasdeflujocero.

Engeneral,lasconcentracionespuedenvaria,ademsdelcaudal.Sesuelehablarde"carga"parasintetizarambosyseobtienedelproductodelflujoporlacomposicin.Sielflujoylacargavaransegn:

Ci=Conc.deentradaduranteelintervalodemuestreoT=PerododemuestreoQ=FlujomedioduranteelintervalodemuestreoC0=Conc.inicialentanquedeecualizacinV=VolumendeltanquedeecualizacinyC2=Conc.desalidaalfinaldelintervalodemuestreo

entonces(PettersonyMenez,1984)laconcentracindeentrada(Ci)serelacionaconladesalida(C2)segn:

CiQT+C0V=C2QT+C2V

Ejercicio:Debedisearseunestanquedeecualizacinquepermitealimentarlosprocesosaguasabajoaunavelocidaddeflujoconstante,velocidadquedebetambinserdiseadaapartirdelosmismosdatos.

Hora

deMuestra

Horas

Acumuladas

Flujo

m3/min

Volumen

Acumulado,m3

8 0 0.189 11.34

9 1 0.34776 20.8656

10 2 0.8694 52.164

11 3 1.1718 70.308

12 4 1.0206 61.236

1 5 0.5292 31.752

2 6 0.3402 20.412



3 7 0.4158 24.948

4 8 0.3024 18.144

5 9 0.567 34.02

6 10 0.8694 52.164

7 11 1.1529 69.174

8 12 1.4364 86.184

9 13 0.756 45.36

10 14 0.3024 18.144

11 15 0.2268 13.608

12 16 0.2646 15.876

1 17 0.2079 12.474

2 18 0.1512 9.072

3 19 0.2646 15.876

4 20 0.2835 17.01

5 21 0.1701 10.206

6 22 0.2079 12.474

7 23 0.1323 7.938

Neutralizacin

Unsinnmerodedescargasindustrialesocurrenencondicionesdeacidezoalcalinidadquesonincompatiblesconlasnormasdedescargaoconlosprocesosbiolgicosofsicoqumicosposteriores.Enparticular,losSistemasbiolgicosrequierenunpHentre6,5y8,5yademsProducenCO2.

Paraprocesosbiolgicos,elgradodepreneutralizacinrequeridoesunafuncindelaDBO("demandabioqumicadeoxgeno)ydelcontenidodealcalinidadodeacidez(capacidaddeproduccinodeconsumodecido,queesdistintodelpH).

Procesostpicosdeneutralizacin

Mezclarefluentescidosyalcalinosenunecualizadorydisponerdealgunacapacidadderetencindecargasfuertesencidoolcali.Silaactividadindustrialdelcasogeneradesechostantocidoscomoalcalinos,sedebenutilizartantolaacidezcomolaalcalinidadexcedentesparaproducirunefluenteneutro.

Neutralizarcidosenlechosdecaliza.Lacalizasedaenformanaturalcomopiedrasytalnombreserefierealcarbonatodecalcioladisolucindelcarbonatogeneraalcalinidad.Loslechospuedensertantodeflujoascendentecomodescendente,latasadecargadediseosininformacinadicionaldelaboratorioesdelordendelos4*102m3/(min*m2)estatasaestdefinidaporlasconstantesdelacalizayporeltiempoderesidenciatpicodeneutralizacindecaudalescidosdeltipoindustrial.

Sihaycidosulfrico,laconcentracindecidonodebieraexcederun0,6%deH2SO4paranoformarunacapaexcesivadeCaSO4(noreactiva)ysedebevigilarquelaevolucindeCO2noseaexcesiva(puesproduceunefectotampn)

Mezcladecidosconlodosdecal.Sesuelellamar"cal"alhidrxidodecalcio,tambincitadocomo"calviva"(cuandola"calapagada"eselxidodecalcio).Elgradodeneutralizacindependerdeltipodecalutilizada.Sihayunafraccinmagnsica,lareaccindeneutralizacinesmuyrpidayllegaapHbajo4,2.Eldiseodependedelacurvadetitulacindelacalautilizar.



Lareaccindelacalseaceleracomomuchasotrasporcaloryporagitacinfsica.Ensistemasaltamentereactivos,serequierenunosdiezminutos.Lacalseutilizaenlodosal8a15%.

Otrosagentesneutralizantes(alcalinos)tpicossonelNaOH,elNa2CO3oelNH4OH.

Residuosalcalinos,tambinllamadosbsicos.Sepuedeutilizarcualquiercidofuerte.Porconsideracionesprcticas,laeleccinselimitaaconsiderarelcidosulfrico(enlamximadosistolerablesinexcederlanormadedescargadesulfatos)yelcidoclorhdrico(paracompletarlaneutralizacin).Lareaccinesprcticamenteinstantnea,peroelgradodemezclanoesinstantneo.

SisedisponedegasesdecombustinconCO2enelordendel14%,sepuedeburbujearestegasenlasolucinalcalina.ElCO2estableceunequilibriocongascarbnico,HCO3cuyacapacidadcidaseutilizaparaneutralizarlacargaalcalina.Lareaccinesnaturalmentemslentaqueladeloscidosfuertesenfaselquidaperosueleserdemuchomenorcostoyaportaaunquemnimamentealabatimientodelacargaatmosfricadegasesinvernadero.

SistemasUtilizadosparaneutralizacin

Paraflujospordebajodeunos400m3/da,sesueleoperarenmodoesttico(discontinuo,batch)lossistemasestticospuedentenercontroladoresautomticososeroperadosmanualmente.

Sielflujoexcedelos400m3/da,laregulacindepHserealizaenlnea,mediantecontroladoresautomticos.

Siseoperaenlnea,esimportanteobtenerunbuengradodehomogeneizacindelasolucin.Laagitacinporairerequieretasasde0,3a0,9m3deaire/minuto/m2detanque.Laagitacinmecnicarequieredeunos0,4HP/m3.

Controlautomticodeneutralizacin

ElcontroldepHesdifcil.Larazonesserelacionancon:

LaaltanolinealidadentreflujodeneutralizanteycambiodepHdelcaudalaneutralizarelpHdeunefluenteindustrialpuedevariarconcinticastanaltascomo1unidaddepHpor

minuto!elflujopuededuplicarseenunospocosminutosunapequeadosisdeneutralizantedebemezclarseconunacantidadrelativamenteenorme

delquidoenunlapsobreve

Normalmente,sedeberecurriracontroladoresapasos(oenetapas).Porejemplo,llevarprimeroaunpHentornoa5ydespusa6,5(suponiendo,porejemplo,quesedeseallegara6,5desde2,0)

TRATAMIENTOSENELPROCESO

Enelmayornmerodecasos,loscontaminantesnodebieranrequerirsu"remocin"sinoque,msbien,sedebieraevitarproducirlosy,siseproducen,debieransercapturadosensupuntodegeneracinparatratarlosinmediatamente,idealmenteparasureutilizacinenelpropioprocesoindustrial.

Laaseveracinanteriorsebasaen:

Enprimerlugar,lamezcladeunalneadeprocesocontaminadaconotraslneasdeproceso,significarladilucindelcontaminanteconlasubsecuentedificultaddesutratamiento(lascinticassuelendependerdelasconcentraciones)Luego,lacontaminacindelalneaconloscompuestosdelaslneasconquesemezcla,dificulta,tambin,losprocesosdetratamientoFinalmente,elcontaminantebienpodraserpartedelosinsumosdelaPlanta,demodoquesurecuperacintieneinclusosentidoeconmicomonetario(msalldelsentidoeconmicoambiental).

Existendiversos"casostpicos"detratamientodentrodeunaPlantaindustrialtalvezelcasodemayorutilidadcomoejemplosealaremocindemetales,enparticularcromo,porquerequierenelensambledevariasoperacionesunitariasenconjunto.



Remocindemetalespesados

Supondremos,porahora,conocidoslosequiposdesedimentacinalmenosensustiposbsicos:

Convencional:Mezclarpida,seguidodefloculador,conagitacinlentayposteriorenvoasedimentador(usualmenteconrastrasenelfondo).

Reactor/Floculador:Enunsloequiposejuntanmezclarpida,floculadorydecantador(reactor/clarificador)

Sedimentadordealtatasa(HRT):proveeunasbanadelodofloculadoydecantadomsbienaltaelfluidoentrante(confloculante)pasadeunazonadefloculacinyluegoingresaaldecantadordentrodelasbana,conlocualseaceleraelcrecimientodelflculo(ademsseproduceunafiltracinatravsdellechodeflculosdecantados.

Casostpicos:

efluentesdepapelerasaceitesdecorte(800mg/Lalmina,450mg/Lcidosulfrico,45mg/Lpolielectrolito)efluentesdegalvanoplastaefluentesdecurtidoalcromo

Laremocindemetalespesadosserealizaporprecipitacindeformasinsolublesdelmetalensolucinenelcaudalatratar.Porlotanto,requieredealgunodelosdiversostiposdesedimentadores.

PorPRECIPITACIONseentiendeladesolubilizacindeunamolculaotomoionizadoqueestabapreviamentedisuelto,seguidodesucadahaciaelfondodeunrecipiente.Larutamsusualparadesolubilizarmetaleseslaformacindehidrxidosmetlicosmediantelaalcalinizacindelasolucin.LareaccinconsisteenllevarelefluenteconmetalesdisueltosalpHdemnimasolubilidaddelmetalencuestin(productodesolubilidad).

Notasimportantes:

Algunoshidrxidosmetlicossonamfotricos:sucurvadesolubilidadenfuncindelpH,muestraunmnimo,apartirdelcualuncorrimientotantohaciaelcidocomohaciaellcaliaumentalasolubilidad.ElcambiodesolubilidadconelpHesunacurvabastanteaguda(pronunciada).Ciertosreactivostpicosdeprocesosmetlicos,comoelcianuroyelamonio,impidenlaformacindelhidrxidopuesformancomplejosmetlicossolubles.Siunmetalexcedelanormalegal,esusualmentenecesariobuscarsufuenteaguasarribayabatirloenlalneaparticulardesudescarga(cinticadependedelaconcentracin).

Tratamientos

Nota:Sienelefluenteatratar,enelqueestdisueltoelmetal,existecianurooamonio,stosdebenserremovidosantesdetratarlosmetalespesados.TantoelcianurocomoelamoniopuedencambiarafasegasalcambiarelpHdelasolucin.Ambosgasesnodebenestarpresentesenambienteslaborales,debidoasutoxicidad.

Cianuro:Clorinacinalcalina(sinohayNkelniPlata)Oxidacincatalticasobrecarbn

Amonio:lavadoconvaporoclorinacindepuntocrtico.

Losmetalespesados,engeneral,puedenprecipitarseporlarutahidrxido(agregarcal)porlarutasulfuro(agregarsulfuro)oporlarutacarbonato(tpicamenteelplomo).Segnsedeclarpreviamente,sedebebuscarformaraquellassalesdelmetalcuyasolubilidadseaescasa,queeselcasodeloshidrxidos,lossulfurosoloscarbonatos.

Laremocindearsnicoocadmiosepuedeefectuarporcoprecipitacinconhierrooaluminio,obteniendobajosnivelesremanentesensolucin.

Afindecumplirlosrequerimientosdebajoniveldemetalesenlosefluentes,puedesernecesariollegarhastaelusodefiltrospararetenerelflculo.



Laprecipitacin/clarificacinporssolanopuedellegaranivelesmsbajosqueelorden1a2ppm,mientrasqueconfiltrossepuedellegardebajodelamediappm.

CROMO

ElCromohexavalente(Cr+6)noformahidrxidos.Encambio,elcromotrivalente(Cr+3)siloforma.Porende,siexisteCromo6enelefluente,estedebeserllevadoatrivalente(+3)previoalaformacindelhidrxido.Sesuelehablardereaccionesdexido/reduccin(parareducirelcromo,sedebeagregarunreactivoqueseoxide).

AgentesreductorestpicosparaelCr+6:

Dadoquelareduccindecromosevefavorecidaenambientecido,sesueleutilizaragentesreductorescidos.Losmstpicosfiguranenlatablasiguiente:Reactivo Frmula Presentacin

Sulfatoferroso Fe(SO4) Polvo,Solucin

Metabisulfitodesodio Na2S2O5 Polvo,Solucin

Dixidodeazufre(anhdridosulfuroso) SO2 Burbujeodegas

LareduccindelcromosedebeaqueelionFerrososeoxidaaionFrrico,mientrasqueelmetabisulfitoyeldixidodeazufreseoxidanasulfato.Laoxidacindelreactivoproducelareduccindelcromo.

Reaccingeneralocurreendospasos(yendosequipos):

2H2CrO4+3SO2+3H2O>Cr2(SO4)3+5H2O

Cr2(SO4)3+3Ca(OH)2>2Cr(OH)3+3CaSO4

Concretamente,enlaprimeraecuacin,enlugardeanhdridosulfuroso(SO2alqueseagreganH2Oparasudisolucin)sepodrausarIonferroso(+2)queseoxidaafrrico(+3)mientraselcromo6sereduceacromo3.EstaesunareaccinrpidaapHbajo3.ParaconseguirpHbajo3,sedebeagregarcido(usualmentesulfrico).Ladesventajaprincipaldeestarutatecnolgicaesqueelionfrricoformarhidrxidodehierro(jarositas)Fe(OH)3queestambininsoluble,asqueseagregarallodoenlascondicionesalcalinassubsecuentesquebuscanprecipitarelcromo.

Enparticular,lareaccinglobaldebeusarferrosoen2,5veceslamolaridaddeCromo6.

Conelmetabisulfitodesodiooconeldixidodeazufre,lareaccinseproduceapartirdelH2SO3(cidosulfuroso)producidoensolucinacuosa.Laionizacindelcido(leydeaccindemasas)es:

SobrepH4,sloun1%estarionizado,demodoquelareaccinseramuylenta.ApHbajo2,lareaccinesprcticamenteinstantnea.Losrequerimientostericosporppmdecromoson:

2,81ppmdeNa2S2O5al97,5%1,52ppmdeH2SO42,38ppmcalal90%1,85ppmdeSO2

Lacantidaddecalrequeridaparalaalcalinizacin,enlasegundaecuacin,sereduceligeramenteporlanaturalezaalcalinadelsulfatodecromo3,queseformaapH3.CuandoelpHllegaa8,9elhidrxidodecromoesprcticamenteinsolublelaexperienciamuestraquesepuedenretirarlodosdeestehidrxidoenelorden1a2%enpeso.

SiseusaSO2,sedebeagregarexcesodeestereactivoparacompensarelconsumoporeloxgenoqueestusualmente



disueltoenlasaguas(agregarunas35ppm).

Elconsumodecidonosepuede"calcular"yaligualquelaneutralizacin,sedebetitularexperimentalmenteunamuestrarepresentativa(elclculorequeriradeunconocimientoexhaustivodelacomposicindelasolucin,asuntopococomnenlaprcticaindustrial).

Sielcaudalestbajo110m3/da,esusualqueseamseconmicoelprocesobatch(estelmitecambiaamenudoperoesunabuenaheursticahoyenda).

ElLodosepuededespacharasecadoenlechosdearena,techados.Enotooseobtieneunlodopaleabledespusdeunas48horasenlechodearena.

Elprocesoencontinuorequiereuntanquedeacidificacinyreduccin,seguidodeuntanquedemezcladoyreaccindondesedosificalcaliyluegounsedimentador.Lostiemposderetencinencadatanquedebenestimarseentredosycuatroveceslostiempostericos.Comoheursticas:unos20minutosparafloculacinreduccina4veceseltiempotericosedimentacinaunatasanosuperiora20(m3/da)/m2.

Enesteejercicio,seutilizarelconocimientoexhaustivodelacomposicindelcaudal:enunainstalacinindustrialenlaqueesnecesariorecuperarelcromoenunalneadelproceso.Elcaudal,Q,alcanzaa114m3/da[Cr+6]=49ppmysepuedesuponerconstanteenlalneahay,adems,cobre([Cu]=11ppm)ycinc([Zn]=12ppm).Seresuelvetratarconanhdridosulfuroso,(SO2),yaqueestesobraenlapropiachimeneadelaplanta.

Debeustedcalcularlosrequerimientosdereactivosylaproduccindiariadelodos.

Notas:Supongaqueelcaudaltiene5ppmdeO.D.

ConsiderequetantoelCucomoelZnrequieren1,3partes(enmg)deunasolucinal90%decalparasuprecipitacin(conloquenonecesitalatitulacinexperimental).

Arsnico

Apareceenefluentesdemetalurgia,vidriera,cermicos,curtiembre,tinturas,pesticidas,etc.Comoproblematpicamentechileno,elarsnicoseencuentraasociadoalosmineralesdecobrequeelpasextraeyaparece,porende,tantoenlasemisionescomoenlosriles.

Laprecipitacindelarsnicocomosulfuropermitealcanzarnivelesdelordendelas0,05ppm,agregandosulfurodesodioodehidrgenoapH6a7.Estosnivelessondifcilesdeobtenerpordecantacinysesuelerecurrirafiltracindelflculo.

Silaconcentracininicialesbaja,sesuelerecurriracarbonoactivadosereportancasosdesalidasenelorden0,06ppmparaentradasde0,2ppm.

Lacoprecipitacinconhidrxidofrricofloculadollevaaconcentracionesde0,005ppm.Posiblementelaformacindecristalesquecontenganfierroyarsnicopermitaobtenerunaespeciemineralqueseaambientalmenteestable(esdecir,quepuedaserdispuestaenbotaderoscomoresiduonopeligrosodeacuerdoalosensayosdelixiviacindelasnormasdelaEPA)

Bario

Fcilmenteremoviblecomosulfatodebario,extremadamenteinsoluble,conunasolubilidadtericamximade1,4ppm(25oC)pararazonesequimolaresdebarioysulfato.Laconcentracinesaunmsbajasiseaumentalaconcentracindesulfato.Nivelestpicosdesalida:0,5ppm.

Elbariosepuederetirardelasolucinporintercambioinicooporelectrodilisis.

Cadmio

Seremueveporprecipitacinoporintercambioinico.SielefluenteacarreaCdconcentrado,entoncessepuede



utilizar,incluso,evaporacinoelectrlisis.

ElhidrxidodecadmioesinsolubleyaltamenteestableapHalcalino.Solubilidad1ppm(pH8)0,05ppm(pH11).CoprecipitacinconhidrxidofrricoapH6,5llevaelcadmioa0,008.

Elcadmioestablececomplejossolublesenpresenciadeagentescomplejantes(cianuro).Estosagentesdebenremoverseprevioalosprocesosalcalinos.Existeunprocesodeoxidacin(alperxidodehidrgeno)queoxidaelcianuroyproducexidodecadmio,recuperable.

Cobre

Elcobresesueleretirarporprecipitacinoporprocesosorientadosasurecuperacin(altovaloreconmicoenotrospases).Seencuentranprocesosdeevaporacin,intercambioinico,electrodilisis,oxidacinyalcalinizacin.

Si[Cu]enorden200ppmseusaintercambioinicoocarbnactivado.ElhidrxidoesrelativamenteinsolubleperoseusaNaOHparaevitarelsulfatodecalcioenloslodos.ElxidotieneunmnimodesolubilidadapHentre9y10,3consolubilidadde0,01ppmlaprcticadicequesepuedellegara0,02a0,07.Laprecipitacindelsulfuropermitellegara0,02ppm,apH8,5.Sedebenremoverlosagentescomplejantes.

Contrarioaunacuriosapercepcinpblica,lasinstalacionesminerasnacionalesnoproducencontaminacinporcobre,sibienantigamentesepermitalaformacinlibredesulfatodecobreapartirdelosbotaderosdeminerales"estriles"(quesloquieredecirquetenanpococobrealtiempodesuextraccin).

Fluoruros

Precipita,concal,comofluorurodecalcio,conefluentesdelorden10a20ppm.Siseagregamagnesio,losefluentesbajanporefectodelaabsorcindelionfluorurosobreelhidrxidodemagnesio(1,0ppmdeflor).Parapulimentoseutilizanintercambiadoresinicos(porejemplo,existeunobasadoenslidoscubiertosporalmina).

Hierro

Existecomofrrico(+3)oferroso(+2).Lapresenciadelferrosoesmenosprobableyaqueencondicionesabiertasalaatmsferaseoxidaafrrico.Elfrricoprecipitacomohidrxidoo,msengeneral,comojarosita(conalgnotrocatin,quepuedeserdesdealuminiohastaamonio)apHneutro.Sinembargo,apHmuyalto(alcalino)elfrricopuedesolubilizarsegraciasalaformacindelFe(OH)4comocomplejo.ElsistematpicoderemocindehierroconsisteenllevartodoelhierroaestadofrricoyprecipitarloapH7.LaoxidacinesrpidaapH7,5ybajoaireacin.

Plomo

Seleprecipitausualmentecomocarbonato(PbCO3)aunquetambincomohidrxido(Pb(OH)2).Poradicindecenizas(cal,soda)seobtieneunefluentede0,01a0,03ppmapH9a9,5.

Estambinposibleformarelsulfurodeplomo,mediantesulfurodesodioodehidrgeno.

Manganeso

Delasmltipleformasquepuedeadquirir,pocassonsolubles.Suseparacin,portanto,consisteenllevarloalasformasinsolublesmedianterutasdeoxidacinodereduccin.Elmanganesonoes,entodocaso,uncontaminantesujetoanormasparticularmenteestrictas.

Tabladeefluentesobteniblesmediantediversosprocesosenlaremocindemetalespesados

Metal ppm Tecnologa

Arsnico 0,050,060,005

SulfuroyfiltracinAdsorcinenCarbnCoprecipitacinconhidrxidofrrico



Bario 0,5 Precipitacinconsulfato

Cadmio 0,050,050,008

PrecipitacindelhidrxidoapH10a11CoprecipitacinconhidrxidofrricoPrecipitacindelsulfuro

Cobre 0,050,02

PrecipitacindelhidrxidoPrecipitacindelsulfuro

Mercurio 0,020,0050,0010,002

PrecipitacindelsulfuroCoPrecipitacinconalminaCoPrecipitacinconfrricoIntercambioinico

Nquel 0,12 PrecipitacindehidrxidoapH10

Selenio 0,05 Precipitacindelsulfuro

Zinc 0,1 PrecipitacindelhidrxidoapH11

FLOTACION

Laoperacindeflotacinresultatilparasepararelementosquetenganalgunatendenciaaformarunafasedistinguibledelafaselquida,particularmentecuandolatendenciadeesta"faseseparable"parasepararsedellquidoseadiminuta.Latendenciapuedeseraflotar(aceites,p.e.)oadecantar(slidossuspendidosdedensidadmuypocosuperioraladelagua).

Silaseparacindefasessepuederealizarpordecantacinopordesgrasadores,sermseconmicoutilizardichosprincipiosenlugardelaflotacin.

Cuandolafasecontaminantenoseseparafcilmente,serecurrealaflotacinporairedisueltooalaflotacinpordifusindeaire.Enambasoperacionessebuscaasociar,ntimamente,microburbujasdeairealelementoaseparar,reduciendoladensidaddelconjunto"elementoaire".Dichoelementoflotarysepodrretirarmedianteunsistemadecoleccinde"flotados"(engeneral,parecidoaunaespumadensa).Elelementomecnicoutilizadopararetirarlosmaterialesflotadoseselskimmer(podador)o,alternativamente,algnsistemaderebalse.

FlotacinmedianteAireaPresin

Disolucindeaireapresin

Elflujocontaminadoqueingresa(o,enotrotipodeFAD,unaporcindelefluenteclarificado),sepresuriza,enpresenciadeaire,aunapresindeunas50a70libras(3,4a4,8atm,345a483kPa).

Desolubilizacindeaire

Teniendopresentequelasolubilidaddelaireenunlquidoaumentaconlapresin(ydisminuyeconlatemperatura),sepuedeconcluirquesedisolverunamasadeairemuchomayorquelaquepodracontenerellquidoapresinatmosfrica.As,alproducirlasalidadeestamezcla"lquidoaireapresin"haciauntanqueapresinatmosfrica,elairedeberdesolubilizarse.Dichadesolubilizacinocurreentodoelsenodelasolucinenformademuypequeasburbujasqueseasocianyquedanentremezcladasconloselementosqueformanunafasedistinguibledelafaselquida(aceites,grasas,slidossuspendidos,clulas,etc.).

Flotacin

Laspartculasaseparar,confinsimasburbujasdeairedisueltopordesolubilizacin,flotanhacialasuperficiedeun



tanqueesttico,enformadenataodeburbujas.

Remocin

Elmaterialflotadoesretiradoconunsistemamecnicooporrebalse.Elsistemamecnicoestacompuestoporbrazosradialesquegiranabajavelocidadempujandoelmaterialflotadohaciapuntosdecoleccin(skimmer).Ellquidoclarificadoseretiraporelfondodelaoperacinunafraccindelefluentesueleserrecirculadohaciaeltanquedepresurizacin.

Solubilidadyrelajacindeaire

Lasaturacindelaguaconaireesdirectamenteproporcionalalapresineinversamenteproporcionalalatemperatura.TantolasolubilidaddelairecomoladelnitrgenosiguenlaleydeHenryenunampliorangodepresionespero,latasadecambio(pendientedelarecta)delasolubilidadconlapresinparadiversosefluentescontaminadosdependedelmaterialenparticular.

SiunamuestralquidahasidosaturadaconaireaunapresinPesdispuestaaunapresinmenor,Pa(atmosfrica,porejemplo),entonceslacantidadtericadeairequeabandonarlafaselquidasers(encm3/L),dadopor:

dondesaindicalasolubilidaddelaireapresinPa.Lacantidaddeairedesolubilizadodependedelascondicionesdeturbulenciaenelpuntodereduccindepresinydelgradodesaturacinobtenidoenelsistemaa

presin.

Lasolubilidaddelaireenefluentesindustrialespuedeser(generalmentees)menorqueenelaguapura.Comoreglaheurstica,lostanquesapresinsuelenconseguirentreun85aun90%delasaturacinporlotanto,laecuacinsesueleexpresarcomo:

donde eslafraccindesaturacinobtenidaeneltanqueapresin(esdecir, varaentre0,85y0,9).

LaeficienciadeunsistemadeFADdependedequeseentreguesuficiente,ynomsdelnecesario,airecomoparaflotarunafraccinsustancialdelmaterialaseparar.Pocoaire flotacindeslounapartedelmaterialexcesodeaire gastoinnecesario.

LaeficienciasemideentrminosdeunaraznAIRE/SOLIDOS,usualmenteexpresadaporlamasadeairedesolubilizado(A)porunidaddemasadeslidos(S)delcaudalentrante:

dondeQeselcaudalentrante,ReselreciclopresurizadoySaeslaconcentracindeslidossuspendidosoaceiteentrante.

LarelacinA/Sconlacalidaddelefluentedependedelanaturalezadelcontaminante:

Eltamaodelasmicroburbujas,cuandolapresinerade20a50psi,resultenelordende30a120m.

LavelocidaddeascensosiguilaleydeStokes,muycercanamente,resultandodelordendeunos2,5a12cm/min.

SilaraznA/Screce,lavelocidaddeascensocrece.Sehanobservadovelocidadesde9,4a55cm/min.,altrabajarconlodosactivosatazasderecirculacinde100,200y300%(40psi).

Variablesdediseo

Demayorimportancia:Presin,Tasaderecirculacin,Concentracindeslidosentrante,perododeretencin.

Alincrementarelperododeretencin,decrementanlosslidossuspendidosenelefluenteeincrementalaconcentracindeslidosflotados.Sisediseaparaclarificacin,elperododeretencinsueleserdeunos20a30minutos,contasasdeascensotpicasdelorden0,061(m3/min)/m2silaaplicacinesdeespesamiento,serequierenperodosderetencinmayores(3a5veces).



LoscomponentesprincipalesdeunaFADson:

Bombadepresurizacin(100psi)TanquederetencinVlvuladereduccindepresinUnidaddeflotacin.

Labombadepresurizacincreaunapresinelevadaparadisolverunagranmasadeaireenelefluente,elairesueleseragregadoantesdelabomba,posiblementeporsuccin.Elaireyelefluentesonmezcladosapresineneltanque,duranteunos2a3minutoslapresinsemantieneconstantemediantevlvulasderegulacin.Launidaddeflotacinpodrasercircularorectangular.

Altosgradosdeclarificacinexigenlaadicindereactivosdefloculacinalcaudalentrante,previoalapresurizacinsesueleencontrarelusodealminay/opolielectrolitos.Lavelocidaddeascensodeflculos(conreactivos)suelellegaralorden20a60cm/min.).

Flotacinporaireinducido

Unsistemasimilar,quesueleserconfundidoconlaFAD,demenorcostoutilizaprincipiossimilaresperooperaporinduccindeaireapresinatmosfrica.

Elaireessolubilizadoporunsistemadeautoinduccin,medianteunsistemarotordispersor.Ellquidopasaporlasaperturasdeldispersor,creandounvacoqueabsorbeairedesdeelespaciocircundante.Ellquidoluegosedesplazalentamentealolargodeceldasyelflotadoesdescargadoporrebalse.

Estetipodesistemasreduceelcostopuesnorequieretanquesapresinniequiposmotricesapartedelinductor.Enciertasaplicaciones,seharequeridomenosespacio.

Comodesventajasepuedecitar:Mayorconsumodepotenciaelctricadependenciadeuncontrolmuyprecisomenorflexibilidadenreactivosyfloculantesvolumenmsaltodeflotados(3a7%versus1%enFAD)menordisposicindedatosindustriales.

Eldiseodecualquieradelasdosunidadesrequiere,comosiempre,experienciasdelaboratorioqueevalen,explcitamente,lascaractersticasdeflotabilidaddeunresiduodeterminado.

EJEMPLO

Q=0,57m3/minT=39,4CAceitesnoemulsificadosyslidossuspendidosnodecantables.Aceites120mg/LReducirelaceiteamenosque20ppm.

Losresultadosdelaboratorioindicanque:

Dosisalmina50mg/LPresin=60psig(4,1atmrelativas)Produccindelodos=0,64mg/mgdealminaLodo=3%enpeso.

Tasadecarga=0,11(m3/min)/m2(fabricante)

Calcular:

a)tasadereciclob)Areadelaunidaddeflotacinc)Cantidaddelodogenerado



OperacionesUnitariasExisteungrannmerodeprocesosdistintos,seanestosde

produccin(ejemplos:delecheenpolvodePisco,etc.)odeseparacin(ejemplos:decobredegasolinasetc.)

degrancomplejidadpero,cadaunodeestospuedesersubdividoenunnmerodepasos,llamadosoperaciones(filtracin,sedimentacin,reaccin,fermentacin,destilacin,fundicin,etc.),queserepitenunayotravezenlosdiversosprocesos.

Estildestacarquelasmuydiversasoperacionesindividualesutilizantcnicassimilaresentresyquesebasanenlosmismosprincipiosfundamentales.

ElconceptodeOperacionesUnitariasprometeque:

Medianteelestudiosistemticodelasoperacionesunitariassesimplificayunificaeltratamientodetodoslosprocesosexistentesypor

existir.

ClasificacindelasOperacionesUnitarias

Lasoperacionesunitariasseabocan,principalmente,altransporteyalintercambiodeEnergayMateria,centralmentemediantemecanismosfsicosperotambinpormecanismosqumicos.Lamayorparte(notodas)delasoperacionesunitariasimportantesquepuedencombinarsededistintasformasparaformarunprocesoson:

Flujo(transporte)defluidosdeunpuntoaotroTransferenciadecalor,referidoalaacumulacin(oprdida)ytransportedecaloryenerga

deunpuntoaotroEvaporacin(casoespecialdetransferenciadecalor)SecadoDestilacin(separacindecomponentesgraciasasusdistintaspresionesdevapor)Absorcin(remocindeuncomponentedeuncaudalgaseosomedianteunlquido)Extraccinlquidolquido(unsolutoenunsolventedeterminadoseremuevemedianteotro

solvente,inmiscibleeneloriginal)LixiviacinLquidoSlido(solubilizacindeunsolutocontenidoenunslidofinoquelo

disuelve)Cristalizacin(remocindeunsolutop.e.unasaldesdeunasolucinmediante

precipitacindelsoluto)Separacionesmecnicas(separacindefasespormediosmecnicos:filtracin,decantacin,

reduccindetamao,etc.usualmenteaparecencomooperacionesunitariasdistintas)

LasOperacionesUnitariassonaplicablestantoaprocesosfsicoscomoqumicos.Adems,unnmerodeoperacionesunitariasproducecambiosdecomposicindelassolucionesymezclassinqueocurranreaccionesqumicas(separacindelassustanciasconstitutivasdeunasolucin)ysepuedenobtenerpormediosmecnicos(separacindeslidos,p.e.).Silasoperacionesimplicancambiosenlacomposicindeunamismafase,selasdenominaoperacionesdetransferenciademasa(uoperacionesdifusionales),enlasqueunasustanciasetransfiereatravsdeotra,usualmenteenescalamolecular.

Delamiradadeoperacionesunitariasexistentes,discutiremosaquellasqueconmayorfrecuenciaseutilizanparalaremediacindeimpactosambientalesdelquidos.Enparticular,seanalizarnlasoperacionesdesedimentacinydeflotacin.Enamboscasos,puedesernecesariorecurriralacoagulacinyfloculacinquetambinserexaminadaenesteapunte.

Sedimentacin



Laoperacindesedimentacin(producirunsedimento)seutilizapararetirarslidossuspendidosenaguasqueloscontengan.Segnsealanaturalezadelosslidospresentesenlasuspensin,aparecentresclasesdeprocesos:sedimentacinsimplesedimentacinfloculentaysedimentacindebloques(zonesettling).Enlasedimentacinsimple,cadapartculacaecomosinoexistieseningunaotraenlasolucincuandoesfloculenta,encambio,laspartculasseaglutinanunasconotrasdurantesucadafinalmente,lasedimentacinenbloquesocurrecuandolosflculosconformanunamallaycaencomounslidoenconjuntounosconotrosflculos.

Sedimentacinsimple

Lasedimentacinsimple,departculasaisladas,ocurreencuantolafuerzagravitacionalsobreunapartculasuspendidaenunmediolquidoexcedelacuantatotaldelasfuerzasquemantienenalapartculaensuspensin.Lavelocidadterminaldelapartculaes:

dondeveslavelocidadterminalglaaceleracindegravedad ladensidaddelapartcula ladensidaddellquidoDeldimetrodelapartculayCdelcoeficientedearrastre(dragforce)sobrelapartcula.Elcoeficientedearrastreserelacionaconlascondicionesdeflujo(medianteelnmerodeReynolds)puespuedeserresultadodelasfuerzasviscosasolasinerciales.Enparticular,cuandoelnmerodeReynoldsespequeoCd=24/NconNnmerode

Reynolds,ylaexpresindelavelocidadterminalsesimplificaala(msconocida)leydeStokes( eslaviscosidad)

Delconocimientodelavelocidadterminalfueposiblededucir(CampT.R.TransactionsASCE,volumen111,pgina909,1946)unarelacinparacalcularuntanquedesedimentacin(basadoenunnmerodehiptesissimplificadoras)enelquelapartculaseconsideraremovidacuandoharecorridolaprofundidadefectivadesedimentacin.Lavelocidaddesedimentacindeunapartculaquesedimentaduranteeltiempotericodesedimentacinsepuedeconsiderarunatasadecargav0(otasaderebalse):

dondeQeselflujovolumtricoatravsdeltanque,mientrasqueAeselreadelmismo.

SibienlavelocidaddesedimentacinlibreesunafuncindelnmerodeReynolds,sepuedeconsiderarquelosvaloresenelrangode0,1a10cm/s(esdecir,esunasedimentacinrpida)parapartculasde0,01a0,15mmdedimetromedio(adems,elfactordeformadelaspartculastambinproducealteraciones).Debeserclaroqueparapartculasdeunmismomaterialyforma,lavelocidadaumentaconeldimetro.Todaslaspartculascuyavelocidaddesedimentacin,v,excedav0serncompletamenteremovidasdelcaudal.Aquellaspartculascuyavelocidaddesedimentacinseamenor,sernremovidasenlarazndev/v0.

Sibienestasvelocidadesestnsujetasavariosefectossecundarios,esclaroquesehallegadoaunaecuacindediseoconbasesfundamentalesslidas.

Engeneral,enunresiduoindustrialqueexcedalanormalegaldeslidossuspendidosseencontrarunadiversidaddetamaosdepartculasyeldiseadordebeseleccionaraquellavelocidaddediseoquepermiteremoverslidosenelgradonecesario.

Laprofundidaddeunsedimentador,porotraparte,sedebeobtenerdeotrasconsideraciones,asociadasa:



tiempoderesidenciahidrulicoquesepuedesostenerparaelRILdelcaso(porejemplo,enalgunoscasossepodraproducirputrefaccin)concostosdeconstruccin(laprofundidadsignificacostos)conlacapacidadderetencindelslidoseparado(amayorvolumendeestanque,mayorserlacapacidadderetenerelsedimentodentrodelestanque,disminuyendolafrecuenciaderetirodeesematerial)

Sedimentacinfloculenta

Enestecaso,lavelocidaddesedimentacindeunapartculaaumentaamedidaquevasedimentando,porqueensucadaseasociaaotra(s)partcula(s),aumentandoaseltamao(yporendesuvelocidaddecada)deambas.

Dadalanaturalezadelasasociacionesentrepartculas,noesposiblecalcularlasvelocidadesdesedimentacinyesnecesariomedirlasenunlaboratorio.

Lamedicinserealizaenunacolumnaestndar,deunos15cmdedimetroyunos2ymediometrosdealtura.Lacolumnadebedisponer,cada50cm,desalidaslateralesparalatomademuestrasalasqueselesdeterminaelcontenidodeslidossuspendidos.Lafiguracontieneunareseadeestetipodecolumnas(dimensionesencentmetros).Encadaunodelospuntosdetomademuestrassecolectaunpequeovolumen,aunafrecuenciadada(cada10minutos,porejemplo),duranteunas2horas(sifuesenecesario).Aestasmuestrasselesdeterminaelcontenidodeslidossuspendidos,afindeorganizarlospuntosenunagrfica(oparaalimentarunmodelomatemtico,queeslomismo).

Lospuntosenunagrficasirvenparaestimarunconjuntodecurvassuavesquerepresentanlosporcentajesderemocinencadapuntodetomademuestras.Estascurvassuavesindicanlasvelocidadesdesedimentacin(paradiversostamaosdeflculosquenoseespecifican)queseutilizanparadiseo(esdecir,eneldiseosedebeelegiraquevelocidadderebalseoperarpararemoverquporcentajedeslidos.

Lastazasderebalsepuedenalcanzarvaloresentre20y50m3/d/m2

(unidadesque,desimplificarporm2,seranm/dpero,sesuelenusarenm3/d/m2afindeenfatizarquesetratadelarazndecaudalvolumtricoareadesedimentacin).

Sedimentacindeflculosbienformados

Enestetipodematerialeslosslidossedimentanavelocidadesmsbienaltas.Estetipodesedimentacinseobservacuandoalosslidossuspendidosselesharealizadounprocesopara,precisamente,formarflculos.Tambinocurreenlasedimentacindeaglomeraciones(flculos)debacteriasenlasoperacionesdelodosactivos.Lasconcentracionesdeslidossuspendidosestndentrodelordendelos500mg/Lylosslidosfloculadosconformanunamasaquedecantauniformemente(seformaunainterfacequebajaenlacolumnadecaracterizacin.Conformeavanzalasedimentacin,creceladensidaddeslidosenlaparteinferiordelacolumnadelquidoyesteaumentodedensidaddificultalasedimentacin.Adems,enelfondodelacolumnalosslidossecomprimenyformanunamasamsbienespesa.

Lastazasderebalsepuedenalcanzarvaloresdelorden10a70m3/d/m2

Comoaplicacindesedimentadoreselestudiantedebieravolveralcasodelosprocesosderecuperacinoremocindemetalesalinteriordelosprocesos,enlaseccin3.1.2.



Qusiguedeaqu?

Naturalmente,losprocesosfsicosyqumicosutilizadosparalaremediacinambiental,particularmentepararecuperarvaloreseconmicos,nosonslolosdescritosaquporejemplo,nadahemosdiscutidodefiltracin,operacinquesibienesdemayorcostoquelasedimentaciny/olaflotacin,permiteungradodeseparacindeslidosmayorqueeldelasmencionadasoperaciones...encualquiercaso,sinembargo,eshabitualqueseutiliceunaoperacindesedimentacinprevioalafiltracin,parareducirloscostosdemantencindelosfiltroscuandoestosseacolmatandemasiadorpido.

Elcmulodereaccionesquesedebendesarrollarparaconformarcompuestosvaliososy/orecuperablesfue,enesteapunte,sloejemplificadoporlareduccindecromo...sinembargo,sepuedenrealizarmuchosmsprocesosdereaccinqumicaque,naturalmente,excedenesteapunte.

Otrasoperaciones(mencionadasbrevementeantes)nofuerondiscutidasaqupuesensumayorparteresultanhonerosas(amenosquesedebanrecuperarcompuestossuficientementevaliosos)oexcesivamentecomplejas(agregancostosdeoperacin)paraelcasohabitualdelosprocesosdeabatimientodecontaminantes.Ellectordeberaccederaotrasfuentessirequieredeoperacionesmssofisticadas.

Comoejemplo,degranimportancianacional,deestas"otras"operaciones"mssofisticadas"sepuedeconsiderarelcasodelaproduccindecobre.Enestaactividadindustrialseproducen,ademsdelcobre,losotroscompuestosqueestnenlalitosferaenrelacincercanaconelmineraldecobrebeneficiadoeselcasodelmolibdenoydelarsnico.Aqulaescaladelproblemaesabismalyellectorpodraestarinteresadoenleersobreuna"posible"solucinmediantemtodosbiolgicos,queseincluyeacontinuacinenformadeapndice.

Apndice:ReduccindeSulfato

OpcionesTecnolgicasAsociadasalas

BacteriasReductorasdelSulfatoLeandroHerrera,JosHernndez,CsarSez

FacultaddeCienciasFsicasyMatemticas,UniversidaddeChile

RESUMEN

Sepresentanlosfundamentosbioqumicos,qumicosytecnolgicosasociadosalautilizacindeprocesosanaerobiosautotrficosquepermitenllevarespeciesmolecularesdeazufre(anhdridossulfurososenfasegas,cidosulfrico,etc.)debajovalorcomercialaespeciesmolecularesdemayorvalor(sulfurodesodio,azufreelementalslido,etc.).

Sedesarrollanejemplossimplificadosparalaproduccindesulfurodesodioapartirdegasessulfuradosyapartirdecidosulfrico.Enamboscasosseobtieneunhorizontedeevaluacineconmicabasadoenunatoneladadematerialatrataryenvaloresdecostoactuales.Losresultadosdeanlisisnocontemplancostosdeamortizacindeinversiones,nioperacionales,nidedesarrollo,niineficienciasdelprocesoaspectosparaloscualesseranecesariodefinir,previamente,unabaseparticulardeaplicacin.

Paraelcasodelejemplosimplificadodeproduccindesulfurodesodio,seobtieneunagananciadeUS$491portoneladadeanhdridosulfuroso(SO2)ydeUS$395portoneladadecidosulfrico(H2SO4).Seconsideraqueambascifrasofrecenunhorizontequeameritalaprofundizacindeestosestudios.

Sediscuteundiagramadeflujosdelprocesopropuestoenqueseobservaquetodaslaslneassereciclaninternamente(tecnologas"limpias")perohayproduccindeclulasy,desulfurosmetlicos(deexistirmetalesenlosgases),quesedebenbeneficiardealgunamaneraycuyoanlisiseconmiconoformapartedeestapublicacin.Eldocumentocontienealgunascitasdematerialpblico.



Introduccin

LasBacteriasReductorasdelSulfato(BRS)proporcionanunmecanismoquepuederesultartilenunnmeroimportantedeaplicacionesindustriales.Estasbacterias,decarcteranaerobio(lasanaerobiasnoutilizanoxgenoensumetabolismoy,loqueesms,generalmentelesresultatxico),hansidoclasificadasycaracterizadas(enalgngrado)deacuerdoasuspropiedadesmorfolgicas,metablicasydehbitat.Sepuedenencontrar,porejemplo,unadocenasdeespecies(convariassubespeciesenalgunoscasosenloscatlogosdelascoleccionesprincipales,porejemploNCIMB).Entrelasprimeraspropiedadeselicitadasseobservqueestetipodebacteriastenalacapacidaddereducirsulfatoenformanoasimilatoria(lasbacterias,engeneral,poseenlacapacidaddeutilizarsulfatoparaobtenerelazufrenecesarioparalasntesisdealgunasprotenasperolacantidaddesulfatoasimiladoconestepropsitoesmuypequeayseconocecomoreduccinasimilatoriadesulfato),conconsumodeorgnicosdeltipolactato,conlaestequiometra:

esdecir,lareduccinbiolgicadeunmoldesulfato(SO4)requierededosmolesdelactatoyproducedosmolesdeacetatoyunmoldesulfurodehidrgeno(H2S,tambinconocidocomocidosulfhdrico).Lautilizacindeestarutabioqumicaconduceaprocesosquesontcnicamentefactiblesperoextraordinariamentecostosos[1].

EltrabajodelLaboratoriollevaobservarquelasreaccionesbioqumicasasociadasaestasbacteriasdependadeunconsorcioanaerobio,dondeelhidrgenogaseoso(H2)jugabaunrolcrtico.Serealiz,entonces,lainvestigacinbsicadelareduccindesulfatoutilizandomecanismosquimioautotrficos,mediantelaadicindehidrgenogaseosoauncultivodebacteriasoriginalmentebasadoenorgnicosdedescarte(basuras)[2].

Seratificlaestequiometra:

Similarmente,seobservquelasbacteriasreductorasdesulfatoporrutasautotrficashabansidoreportadashacabastantetiempo[3],sibiennuncaantesparalabacteriaDesulfovibriodesulfuricans,quesesuponaquerequeracarbonoorgnico.Tambinseobservqueotrosautorestambinproponantecnologasbasadasenellas[4].

Lainvestigacinarrojresultadosquesignificaron,ensntesis,unadisminucindecostos,puestoqueelhidrgenogaseoso(producidodesdegasmetano)tieneuncostomuchsimomsbajoqueellactato.Adems,lafactibilidadtcnicamejordebidoaquelosinsumos(dixidodecarbonoehidrgeno)yelproducto(cidosulfhdrico)songaseosos,simplificandolosprocesosdeseparacinasociadosalreactorbiolgicoprincipal.

Losprocesosmineros

Deunpuntodevistaglobal,lasoperacionesminerasdealtaescalapuedenservistascomoprocesosdeseparacindelmetaldelcaso(porejemplocobre)delrestodeloselementosqueconformanelmineral(quepodraser,porejemplosulfurodecobre).Enestavisinglobal,esclaroquedelaseparacindebenaparecer,cuantitativamente,elrestodeloselementosenunaootrafase(slida,lquidaogaseosa).Alconsiderarelprocesamientodesulfurosdecobreseobtienecobreelemental(slido)ylossulfurosaparecentantoenfasegaseosa(anhdridosdeazufre,delasformasSOx,dondexpuedeser2o3aunquepredominalaformaSO2)comoenfaselquida(enlaformasulfatos,SO4)yenfaseslidacuandoseformansalespocosolubles,comoelsulfatodecalcio,tpicodelaneutralizacindelpHdeefluentesmediantehidrxidodecalcio.

Naturalmente,elmaterialqueentraaunafundicinnoslocontieneelmetaldeintersyelazufrealasociado.Ademsseencuentranotrasespeciesqueacompaanalmineralsin,necesariamente,participardesuestructuraregularprincipal.Engeneral,esimportantedefinireldestinodelasotrasespeciesmetlicasqueseencuentranenmenorcuantaenlosmineralesdebase.Enloprincipal,aparecen:hierro,molibdeno,manganesoyarsnico.Dadalaposibilidaddegenerarsulfuroenfaselquidaapartirdelasemisiones,elprocesopodrretirarlosmetalesenlaformadesulfuros,queusualmentesonmuyinsolubles,demodoqueesteprocesopuedeofrecertantobeneficioseconmicosporventadeproductoscomo,simultneamente,beneficiosambientalesalretirarlosmetalesenfaseslida.

AlternativasdeProceso



Anmsalldelaminera,enlaprcticaindustrial,unnmeroimportantedeprocesosgeneranespeciesdeazufreenalgunaforma,comosubproductodelalneacentraldeproduccin.Estossubproductos,aligualqueenlaminera,suelenaparecercomoanhdridosdeazufre(enlasformasSO2y/oSO3)enfasegaseosa(emisiones)ocomosulfatos(enlaformaSO4).Enelcasodelosanhdridosgaseosos,suabsorcinenfaselquidalosllevaacidosulfurosoy/osulfrico,procesomuyutilizadoparaabatirlasemisiones.

LasBRSsepuedenaplicaracualquieradelasdosformasdecidoysepuedenexplotarlasreaccionesasociadasalasBRSautotrficas:

queproducen,porreduccin,cidosulfhdricoyaguaconconsumodehidrgeno.Adems,esnecesarioagregarunapequeacuantadedixidodecarbono,comofuenteparalasBRSautotrficas.

Elcidosulfhdricoesbastantereactivodemaneraquepuedeencontraraplicacionesdentrodelamismaplantaquegenerabalasemisionesenprimerlugar.Alternativamente,elH2Ssepuedellevarasulfurodesodio(Na2S)quetieneunvalordemercadomuysuperioraloscidossulfricoy/osulfurosoadems,esposiblellevarelH2Saazufreslido,queofrecegrandesventajasdesernecesariotransportarelcidosulfricoproducidoporlaoperacindecontroldeemisionesy,adems,elazufretieneunvalordemercado,hoy,muchomsaltoqueelcidosulfricoaunquemenorqueelsulfurodesodio(elcidosulfricoescostosodetransportarporqueesunlquidoaltamentecorrosivoypeligroso).

Desdeeliniciodeestalneadeinvestigacinydesarrollohemostenidopresentequelatemticadeloselementosqueacompaanalcobreenlafuentedemineralserelacionaconladefensadelosmercadosinternacionales.Entalsentido,entrenuestrosprimerosesfuerzosfigurabalaproduccindeazufreslido[5]porqueesposiblequeenunfuturonodemasiadolejanonoseencuentreningnmercadoparacompuestosdeazufreyresultecrticalahabilidaddeproducirslidoscontodoslosexcedentesdeminerapara,sencillamente,depositarlosenlamismaminadedondeseretirelmetalenprimerlugar.

Laformadelproductofinal,naturalmente,noestrestringidaalasespeciesrecinmencionadas(cidosulfhdrico,sulfurodesodio,azufreslido)sinoquedebendisearsedeacuerdoalasnecesidadesdeinsumosdelaplantaqueproducelosexcedentes,demaneradeconvergerhaciaprocesosdeemisinnula(tecnologas"limpias").Enparticular,sehanmencionadoloscasosdeutilizacindecidosulfhdricoydelsulfurodesodioporqueambasespeciessuelenseradquiridasporlaminera,siendoqueenlamismamineraexistecidosulfricoencantidadesapreciables.Sinembargo,hoyendaseconsumendiversasformasdesulfitos,porejemplo.

EjemplodeProceso

Afindeejemplificarbrevementeuncaso,sepuedeconsiderarlautilidaddecapturargasesdeanhdridosulfurosoyprocesarlosenunaplantabioqumicaparallegarhastasulfurodesodio.



Figura7.31:DiagramadeFlujosilustrativodelProcesospropuesto

ElprocesopropuestoconsideraunaetapadeabsorcindegasesSO2ySO3enlasolucinlquidadeproceso,paraproducirunamezcladecidossulfurosoysulfrico(conpreponderanciadelsulfuroso,H2SO3).Lasolucinlquidaingresaaunbioreactordereduccinquerequierehidrgenogaseosoyqueproducesulfurodehidrgeno(ocidosulfhdrico,H2S)ysulfurodelosmetalesquepudiesensercapturadosenlosgases.Elcaudaldesulfurodehidrgenosedirigealaunidaddeproduccindesulfurodesodio,mientrasquelafaselquidapasaaunaetapadeseparacindeclulasyvuelvealabsorbedordegasessulfurososinicial.Eldiagramadeflujosdelafigura1reseaesteproceso.Sediscuten,acontinuacin,lasbasesconceptualesdecadaunadelasoperaciones,orientandoladescripcindeacuerdoalosrtulosdeldiagramadeflujos.

Absorbedordegasessulfurados

Elprocesopropuestocontemplaadquirirlosgasessulfuradosenunalneadesalidadeunprocesoemisor(porejemplounatostacindesulfurosmetlicos),enunacuantaaespecificar.SebuscaraprivilegiarlacapturadeSO2puesseminimizalacantidaddeelectronesatransferir(comparadoconSO3).Estalneadecapturadelosgasesingresaalprocesopropuesto(lnea1),mezcladoconlarecirculacinforzadadegases(medianteunsopladorenlaslneas13y14)queingresa(lnea2)aunabsorbedorenfaseacuosa.

EnestaunidadseproducelaabsorcindeSO2ySO3enagua,conunaposteriorreaccindeproduccindeloscidossulfurosoysulfrico:

Estoscidossalendelaetapadeabsorcinporlalnea3.Sesupondrenloquesiguequeseproducir,principalmente,cidosulfuroso.

Extraccindegaseslimpios



Lasalidadelabsorbedor(lnea3)sedirigeaunaetapadeextraccindelosgaseslimpiosquepuede,adems,eliminareloxgenoarrastradomediantelageneracindeunapresinligeramentesubatmosfricayaprovechandolatemperaturadelosgases.Losgasesseevacuanporunextractoralalnea15,mientrasquelafaselquidasedirigealbioreactor,mediantelalnea4(querequiereunabomba).

Bioreduccindeespeciesdeazufre

Elprocesodereduccindecidossulfurosoysulfricoserealizamediantelasbacteriasanaerobiasautotrficasyadescritas,yqueutilizandixidodecarbono(CO2)comofuentedelcarbononecesarioparalasntesiscelular,mientrasquelafuentedeenergaseaportarenlaformadegashidrgeno.Sehanverificadoexperimentalmentelasestequiometras:

queratificanlaaseveracinanterior,enquelautilizacindeSO2ahorracostosdehidrgenogaseosoparaelproceso,alcompararconlautilizacindeSO3.

Lalneadeentradadelquido,quecontieneloscidos,ingresaalreactor(lnea4)queesalimentadoconhidrgenogaseosoydixidodecarbonoqueprovienendeunafuenteexterna(lnea8)quesemezclaconlalneaderecirculacindegases(lnea12)quesecirculaencircuitocerradopuestienealgncontenidotildeambosgasespero,principalmente,permitedesarrollarunprocesodeemisinnula.

Elproductodelareaccines,segnsevio,sulfurodehidrgeno(H2S)yagua.ElH2S,quesegeneraenfaselquidayqueaparecedisueltoenellquido,presentalaspropiedadesdeequilibriocaractersticadelosgases.Enparticular,porejemploapH7,lafraccinmolarenlafaselquidaesigualalafraccinmolarenfasegas:

demaneraquelasuccinpermanentedelgas(lnea10)producirunretiropermanentedelH2Sdelafaselquidahacialafasegas.

Lasalidadefaselquidadelreactor(lnea5)contiene,ademsdetodosloscompuestosdelareaccin,lasclulasquesehangeneradoapartirdeldixidodecarbono.Lasclulasestarnenexcesoyseretirandelsistemamedianteunsedimentador.

SedimentadoryDescartedeClulas

Lalneadesalidalquidadelreactordebioreduccin(lnea5)sedirigeaunsedimentadorsimple,dondeseobtendrunbioslido(lnea17),espesadoaun1o2%,querequerirposteriorfiltracinparaserexpuestoenunrellenosanitariomonoespecie,alaesperadesucaracterizacincomorellenodeterrenosorgnicos.

Ellquidoclareadoquesaledelsedimentador(lnea6)seutiliza,encircuitocerrado,comofaselquidadelabsorbedor,porbombeohaciasuentrada(lnea7).Deestamanera,tambinelcircuitolquidoesdeemisincero.

Sedebeenfatizarqueelnicoimpactoambientalserproducidoporlasclulassobrantes,queconformanunbioslidoquedeberserdispuestoenformacontrolada.Sinembargo,silaetapadeabsorcinatrapametalespesados,estosaparecernenellododelsedimentador,enlaformadesulfurosdemetalesydebieranserrecuperadosporcombustindelbioslidoenunaetapaderecuperacindecalor.Enestesentido,eltratamientodeemisionesdetostacinofreceventajasrespectodesupasoacidosulfricopuesenelprimercasosegeneransulfurosmetlicosinsolublesmientrasqueenelsegundolosmetalespermanecencomoimpurezasquedebenserretiradasparaquenocontaminenelcido



sulfricoproducido.

ProduccindeSulfurodeSodio

Elcidosulfhdrico(osulfurodehidrgeno,H2S)esunpotentereductor,dealtareactividad.Dadassuscaractersticas,esposibleutilizarlodirectamenteenprocesosollevarloacualquiercompuestoquetengaunvalordemercadoatractivo.Enestecaso,sepostulalaproduccindesulfurodesodio(Na2S)mediantelareaccinconhidrxidodesodio(NaOH),queconformarotroinsumodeproceso.

Elsulfurodesodiotiene,hoyenda,unbuenvalorcomercial.

Lareaccinpropuestaparalaproduccindesulfurodesodioes:

ElementosdeAnlisisEconmico

BalancedeMateriales

Entrminosdeestequiometradereaccinglobal,elprocesoconsumehidrgenogaseoso,dixidodecarbono,anhdridossulfurososehidrxidodesodioyproducesulfurodesodioyagua.

Elinsumodehidrgenogaseososeproveerdesdelareaccindegasmetanoparaproducirhidrgenoydixidodecarbono,medianteprocesosdisponiblesenelmercadoqueimplementanlaestequiometra:

que,adems,proveemuchomsqueeldixidodecarbononecesarioparalasntesiscelular(queesdelordendel5%delHidrgenonecesario)yconformaotroproductodebuenbeneficioeconmico.

Resumiendolasecuacionesestequiomtricasaplicables,suponiendoparasimplificarquesloexisteSO2enlosgasescapturados:

seobtienelaestequiometraglobaldelprocesopropuesto:

querepresentalarelacinestequiomtricaentreespeciesyquesirveparaunprimerbalanceeconmico.

AnlisisEconmicoSimplificado

Latablaacontinuacinseconstruyenbasea1toneladadeSO2tratado,afindeobtenerunclculoenbasemsica.Lamasasehaexpresadotantoengramoscomoenmoles,afindecertificarque,efectivamente,laestequiometrautilizadaeslarecinjustificada.Enlatablaseutilizansignosnegativosparalasespeciesqueseconsumenypositivosparalas



especiesproducidas,deacuerdoalmtodoconvencional.Finalmente,loscostosdelasespeciesmolecularesdelcasoseobtuvieronodeLiquidCarbonic(paraelcasodelCO2)odelBancoCentral(paraelcasodelsulfurodesodioydelhidrxidodesodio)odeMetrogasparaconsumidoresindustriales(paraelcasodelgasMetano)ycabedestacarqueelpreciodelgasnaturalesunafuncinagudadelcaudalaconsumirdurantelavigenciadeuncontrato.

Especie Costo Masa PM Masa Coef Valor

US$/Ton Ton gr/Mol Moles Esteq US$SO2 0 1 64 0.015625 4 0

NaOH 244 1.25 40 0.03125 8 305CH4 140 0.1875 16 0.01171875 3 26.25

Na2S 506 1.21875 78 0.015625 4 616.6875

CO2 400 0.515625 44 0.01171875 3 206.25

H2O 0 0.703125 18 0.0390625 10 0

BALANCE 0 491.6875

Seobservaqueelprocesopropuesto,sinconsideraranineficiencias,gastosdeoperacin,costosdeingeniera,niamortizacindeinversiones,arrojaunaganancianetade491dlaresportoneladadeSO2tratado.Naturalmente,estacifraameritaprofundizarunestudiodedesarrollotecnolgicoparalaproduccindesulfurodesodioapartirdeemisionesdeanhdridosulfuroso,provenientedenoimportaqufuente.

Comonotaadicional,cabemencionarquelaparticipacindeSO3enlosgasessloimplicaqueelcostodehidrgenodebeincrementarseenuntercio,esdecir,sedebeconocerlaproporcinrelativadeSO3parapoderrealizarlosclculos.Sinembargo,ancuandotodoelgasfueseSO3,laganancianetadelproceso,enlamismaestructuradelatablaanterior,serade483dlares.

AnlisisEconmicosimplificadodelusodecidosulfrico

Estambinposibleaumentarelbeneficioeconmicodelcidosulfricomediantelamismareaccin,perosinincluirlaetapadeabsorcin.Entalcaso,laestequiometradelabioreduccinser:

mientrasquelaproduccindesulfurodesodioylaproduccindehidrgenosernlasyadiscutidas,arrojandolaestequiometraglobal:

y,mediantelamismametodologaanterior,seconstruyunatabladeanlisiseconmicosimplificado(sinconsiderarineficiencias,costosdedesarrolloydeingeniera,costosdeoperacinnicostosdeinversin)peroquedebeconsiderarunvaloreconmicodeterminadoparalatoneladadecidosulfrico,quesefijenUS$15/Ton(adiferenciadelvalornulodelanhdridosulfurosoemitido).Sepuededestacar,nuevamente,quelaproduccindesulfuroporreduccinbiolgicadelsulfatogenerarsulfurosinsolublesdelosmetalesquepudiesenestardisueltosenelcidosulfricoentrante.Latabladeevaluacinsepresentaacontinuacin:

Especie Costo Masa PM Masa Coef Valor



US$/Ton Ton gr/Mol Moles Esteq US$H2SO4 15 1 98 0.010204082 1 15

NaOH 244 0.8163 40 0.020408163 2 199CH4 140 0.1633 16 0.010204082 1 22.8

Na2S 506 0.7959 78 0.010204082 1 402

CO2 400 0.4490 44 0.010204082 1 179

H2O 0 0.7347 18 0.040816327 4 0

BALANCE 0 345

Seobservaquelagananciacruda,enestecaso,esde345dlaresportoneladadecidosulfricotratado.Esclaralaventajadeatrapargasesenlugardeconvertirlosacidosulfricoperoexistencasosenqueladescargaconsistedecidosulfricoynogasessulfurados,encuyocasoestaltimarutadebierasermsrazonablequecomercializarelcido.Sedeberesaltar,nuevamente,queesposiblequeafuturosedebanllevarlasespeciesdeazufreaazufreslidosloporquesuemisinseaimposible.Entalcaso,elanlisiseconmicofavorecerprocesosdeestetipoportenermenorcostoynoportenermayorrentabilidad(laquepodrnoexistir).

Esteproceso(reduccinbiolgicadecidosulfricoacidosulfhdrico)hasidoreportadonosloporestelaboratoriosinoqueporotrosinvestigadores,demodoqueexistemsinformacinencuantoaparmetrosdediseo(balancesyestequiometra)queparaelprocesoasociadoagases.

Conclusin

Lasbacteriasreductorasdesulfato,capacesdeobtenercarbonodesdedixidodecarbono,ofrecenlaposibilidaddellevardiversasformasdeazufreionizado(SO4,SO2,SO3)asulfurodealgncatin,tpicamentesulfurodehidrgeno,H2S.Lareactividaddelsulfurodehidrgenoestalquesepuedenproducirunsinnmerodemolculashoyvaliosasparalasociedadindustrial.

Laproduccindesulfurodesodio(Na2S)ofreceunaaltarentabilidadsiselaproducedesdegasesdeanhdridosulfurosoqueseabsorbeensolucinacuosa.Tambinesposiblepensarenbisulfitosyotrasespeciesinorgnicasqueresultentiles.Elmismoprocesogenerasulfurosdelosmetalesqueestnpresentesy,dadoquelamayoradelossulfurosmetlicossonescasamentesolubles,esteprocesoasisteensucaptura.

Elprocesopuedetambinutilizarseparaconvertircidosulfrico(H2SO4)enotrasespecies,porejemploazufreslido.Taltecnologapodrareducirloscostosdetransporteasociados,puestoqueeltransportedecidosulfricotieneriesgospotencialesqueseestnhaciendoobjetables.Naturalmente,sielcidosulfricoprocededehumos,serpreferiblecapturarestosltimospuessereducenlosinsumosdelproceso.Losmetalesquepudiesenacompaaralcidosulfricofuentellegarntambinalaformasulfurodemetal,ayudandoasalapurificacindelosproductosfinales.

Esposiblequelaproduccindeazufreslidosealaformafuturadeconfinarlosexcedentesdeminera,sisedaelcasoquesuemisin,encualquierfase,seaobjetable.

REFERENCIAS

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procesos de neutralización

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