CLARIFICACION SECUNDARIA: COAGULACION

CLARIFICACION SECUNDARIA: COAGULACION

INTRODUCCINEl agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre estas ltimas destacan las partculas coloidales, las sustancias hmicas y los microorganismos en general. Tales impurezas coloidales presentan una carga su perficial negativa, que impide que las partculas se aproximen unas a otras y que las lleva a permanecer en un medio que favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser removidas, es preciso alterar algunas caractersticas del agua, a travs de los procesos de coagulacin, floculacin, sedimentacin (o flotacin) y filtracin.

PARTCULAS COLOIDALESLas partculas coloidales en el agua por lo general presentan un dimetro entre 1 y 1.000 mili micrmetros y su comportamiento depende de su naturaleza y origen. Estas partculas presentes en el agua son las principales responsables de la turbiedad. En trminos generales, los denominados coloides presentan un tamao in- termedio entre las partculas en solucin verdadera y las partculas en suspensin.

Tipos de coloides de acuerdo con su comportamiento en el aguaEn el tratamiento del agua, es comn referirse a los sistemas coloidales como hidrfobos o suspensores cuando repelen el agua, e hidrfilos o emulsores cuando presentan afinidad con ella.Obviamente, los coloides hidrfobos no repelen completamente al agua, pues una pelcula de ella es absorbida por los mismos. En los sistemas coloidales hidrfobos, las propiedades de la superficie de las partculas son muy importantes, principalmente en las aguas naturales, que pueden contener varios tipos de arci- llas.

Caractersticas de las partculas coloidales y las sustancias hmicasLas sustancias hmicas estn compuestas por molculas aromticas de alto peso molecular que muestran caractersticas polianinicas en soluciones neutras o alcalinas. Por medio de estudios de degradacin oxidativa, se lograron aislar e identificar siete diferentes compuestos fenlicos comunes a los hmicos de madera y del agua.Desde el punto de vista energtico, algunas partculas coloidales son termo- dinmicamente estables y se denominan coloides reversibles, incluidas las molculas de detergente o jabn, protenas, aminas y algunos polmeros de cadena larga

Caractersticas de las arcillasLas arcillas estn principalmente constituidas por partculas minerales: cuarzo, mica, pirita, calcita, etctera. Los constituyentes ms importantes de las arcillas son los silicatos hidratados de aluminio y hierro, tambin algunos elementos alcalinos y alcalino-trreos. Morfolgicamente, las partculas de arcillas se representan en forma de plaquetas compuestas de lminas muy finas, como muestra la figura 4-2 (obtenida en microscopio electrnico).Representacin

esquemtica de una partcula de arcilla

Propiedades de los coloides

Desde el punto de vista fsico, las arcillas son cristales con una estructura atmica reticular. La mayora de ellas puede caracterizarse por dos clases de estructuras.Las principales propiedades que definen el comportamiento de los coloides en el agua son las cinticas, pticas, de superficie y electrocinticas.2.4.1 Propiedades cinticasLas cinticas son las propiedades que definen el comportamiento de las partculas coloidales referidas a su movimiento en el agua.a)Movimiento brownianoLas partculas coloidales, dentro de la fase lquida, presentan un movimiento constante e irregular, que se ha denominado movimiento browniano. Su nombre proviene de su descubridor, el botnico escocs Robert Brown (1773-1858), quien observ por primera vez bajo el microscopio este movimiento constante en las partculas provenientes del polen.La teora cintica explica este fenmeno como resultado del bombardeo desigual y casual de las partculas en suspensin por las molculas del lquido. Al elevarse la temperatura del lquido, las molculas adquieren mayor energa cintica y aumenta el movimiento browniano.

b)DifusinDebido al movimiento browniano es decir, al movimiento constante de las molculas o partculas en el agua, las partculas coloidales tienden a dispersarse por todas partes en el sistema hdrico. A este fenmeno se le llamado difusin.Como es de esperarse, la velocidad de difusin es menor que la velocidad media de las partculas en el movimiento browniano.c)Presin osmticaLa smosis es el flujo espontneo que se produce cuando un disolvente(agua) atraviesa una membrana que la separa de un sistema coloidal (agua +coloides). Esta membrana es permeable al solvente pero no a los coloides; por tanto, la dilucin puede ocurrir nicamente con el movimiento del solvente hacia el sistema coloidal a travs de la membranaNaturaleza de la turbiedad y el color TurbiedadLas sustancias responsables de la turbiedad del agua son las partculas en suspensin, tales como arcilla, minerales, sedimentos, materia orgnica e inorgnicafinamente dividida, plancton, bacterias y otros microorganismos. Estas partculas causantes de la turbiedad pueden ser coloidales o materia insoluble de mayor tamao.

ColorLa mayora de los investigadores estiman que el color orgnico en el agua es de naturaleza coloidal. Sin embargo, algunos autores sugieren que se encuentra en solucin verdadera. Black y Christman demostraron que los filtros comerciales de membrana, con poros de 3,5 m, retenan 91% del color original mientras que los poros de 10 m retenan solo 13%.

SUSTANCIAS QUMICAS EMPLEADAS EN LA COAGULACINA la variedad de productos qumicos empleados en la coagulacin se los clasifica como coagulantes, modificadores de pH y ayudantes de coagulacin.Los productos qumicos ms usados como coagulantes en el tratamiento de las aguas son el sulfato de aluminio, el cloruro frrico, el sulfato ferroso y frrico y el cloro-sulfato frrico.

Sulfato de aluminio

Puede estar en forma slida o lquida. La slida se pre- santa en placas compactas, grnulos de diverso tamao y polvo. Su frmula terica es Al2(SO4)3 .18 H2O.El contenido en almina Al2O3 de la forma lquida flucta generalmente entre 8 y 8,5%; es decir, 48 a 49% en equivalente polvo o tambin 630 a 650 g de Al2(SO4)3 .18 H2O por litro de solucin acuosa.

Principales reacciones del sulfato de aluminio con la alcalinidad:1) Sulfato de aluminio (lquido o slido):Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3) 2 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 6 CO2

El contenido en almina Al2O3 de la forma lquida flucta generalmente entre 8 y 8,5%; es decir, 48 a 49% en equivalente polvo o tambin 630 a 650 g de Al2(SO4)3 .18 H2O por litro de solucin acuosa.El sulfato de aluminio es una sal derivada de una base dbil (hidrxido de aluminio) y de un cido fuerte (cido sulfrico), por lo que sus soluciones acuosas son muy cidas; su pH vara entre 2 y 3,8

Cloruro frrico FeCl3

Se presenta en forma slida o lquida; esta ltima es la ms utilizada en el tratamiento del agua.

La forma slida es cristalina, de color pardo, delicuescente, de frmula terica FeCl3 .6 H2O. Se funde fcilmente en su agua de cristalizacin a 34 C, por lo que es necesario protegerla del calor.

La forma lquida comercial tiene un promedio de 40% de FeCl3. Para evitar toda confusin entre los contenidos de producto puro o de producto comercial, es recomendable expresar la dosis de coagulantes en Fe equivalente; es decir, 20,5% para la frmula slida y 14% aproximadamente para la solucin acuosa comercial.Sulfato ferroso FeSO4 .7 H2O

El sulfato ferroso usado en el tratamiento de agua es un polvo de color verde muy soluble.

Con la alcalinidad del agua FeSO4+Ca(HCO3)2 Fe(OH)2 +CaSO4+2 CO2

Sulfato frrico Fe2 (SO4)3

El sulfato frrico es un polvo blanco verdoso, muy soluble en el agua, su masa volumtrica aparente es 1.000 kg/m3. Debido a que en solucin acuosa se hidroliza y forma cido sulfrico, es necesario prevenir los efectos de su acidez.

El coagulante qumico funciona de dos maneras:1. Forman partculas de carga positiva que neutralizan las cargas negativas de la materia coloidal en suspensin.2. Causa un floculo o grupo de 0.5 mm a 7.0mm que participa fcilmente.

Otros factores que afectan la coagulacin: El medio fluido debe tener un PH adecuado, flucta entre 5.5 y 8.0 para sulfato de aluminio, otros casos varia entre 4.0 y 11.0 PH.Temperatura del agua, altera la viscosidad y la velocidad de sedimentacin.Conocer el uso final del agua, para determinar el agente qumico adecuado. Interaccin de los coagulantes inorgnicos con el agua y la alcalinidadDado que los coagulantes qumicos usados en el tratamiento del agua tienen naturaleza cida, debido a su origen (sales producto de la neutralizacin de un cido fuerte con una base dbil), es necesario repasar los conceptos de cidos- bases y alcalinidad, para luego aplicarlos al comportamiento de las soluciones de los coagulantes inorgnicos.

La alcalinidad

La alcalinidad es uno de los parmetros ms importantes en el tratamiento del agua, pues influye directamente en la coagulacin o el ablandamiento.Los bicarbonatos, carbonatos y el ion hidroxilo representan las formas ms importantes de alcalinidad, pero en algunos casos pueden contribuir los boratos, silicatos, fosfatos y otras bases.MECANISMOS DE COAGULACIN

Como se ha visto anteriormente, las partculas coloidales, las sustancias hmicas y algunos microorganismos presentan una carga negativa en el agua, lo cual impide la aproximacin de las mismas. En el tratamiento del agua ser necesario alterar esta fuerza inica mediante la adicin de sales de aluminio o de hierro o de polmeros sintticos que provoquen el fenmeno de la coagulacin.

Actualmente se considera la coagulacin como el resultado de la accin de cuatro mecanismos:1.Compresin de capa difusa;2.adsorcin y neutralizacin;3.barrido;4.adsorcin y formacin del puente.

Compresin de la doble capa

Compresin de la doble capa

Este modelo fsico de doble capa puede explicar el fenmeno de la desestabilizacin de un coloide por un coagulante y la figura 4-19 ayuda a explicar el fenmeno de desestabilizacin: la curva de atraccin de Van der Walls es fija mientras que la de repulsin elctrica disminuye si se incrementan en la solucin los iones de carga opuesta. En consecuencia, si se reduce el potencial repulsivo, decrece tambin la curva resultante de interaccin. Por lo tanto, las partculas pueden acercarse suficientemente para ser desestabilizadas por la energa atractiva de Van der Waals.

Cabe destacar dos aspectos interesantes sobre ese mecanismo de coagulacin:a) La concentracin del electrolito que causa la coagulacin es prcticamente independiente de la concentracin de coloides en el agua.

b) Es imposible causar la re estabilizacin de las partculas coloidales con la adicin de mayores cantidades de electrolitos debido a que ha ocurrido una reversin de la carga de las mismas, que pasa a ser positiva.

Adsorcin y neutralizacin de la cargaAdsorcin y neutralizacin de la cargaLa desestabilizacin de una dispersin coloidal consiste en las interacciones entre coagulante-coloide, coagulantesolvente y coloidesolvente.El efecto de adsorcin y neutralizacin de la carga se encuentra estrecha- mente ligado al de compresin de la doble capa.La figura 4-19 muestra las curvas esquemticas turbiedad residual versusdosis de coagulante para diversos coagulantes.

Captura en un precipitado de hidrxido metlico o captura por barrido

Cuando la dosis de un coagulante de sales metlicas en solucin como el Al2(SO4)3 y FeCl3 excede el producto de solubilidad de sus hidrxidos metlicos como el Al (OH)3 y el Fe(OH)3, se produce una precipitacin rpida de los hidrxidos gelatinosos que explica el fenmeno de remocin de turbiedad en la figura 4-19(c). En este caso, las partculas coloidales son envueltas por los precipitados y, como este mecanismo no depende de la neutralizacin de la carga de los coloides, la condicin ptima de la coagulacin puede no corresponder a aquella donde es mnimo el potencial zeta.Si se toma como ejemplo la sal de fierro, el producto de solubilidad del hidrxido frrico puede expresarse de la siguiente manera:.Fe(OH)3(s) = Fe+++ + 3 OH-

(Fe+++) (OH-)3 = K = 10-3 donde:(Fe+++) y (OH-) = concentracin molar de iones hidrxidos y frricos en solucin,Kps = producto de solubilidad de Fe(OH) 3 (s) amorfo.

Adsorcin y puente in terparticularLa coagulacin puede realizarse tambin usando una variedad significativa de compuestos orgnicos sintticos y naturales caracterizados por grandes cadenas moleculares, que gozan de la propiedad de presentar sitios ionizables a lo largo de la cadena y de actuar como coagulantes. Los polmeros pueden ser clasifica- dos comoa) Catinicos: presentan sitios ionizables positivosEjemplo: polidialil-dimetil amonio

[(CH = CH CH ) (CH ) N+]n b) Aninicos: presentan sitios ionizables negativosEjemplo: cido poli acrlico

[CH2 = CH COO ]n c)No inicos: no presentan sitios ionizablesEjemplo: poliacrilamida

[ CH2 CH CONH2]nd)Anfolticos: presentan sitios ionizables positivos y negativos

ETAPAS DE LA COAGULACIN

Considerando la discusin terica que antecede, Stumm y OMelia identifi-caron varias etapas en el proceso de coagulacin.

1) Hidrlisis de los iones metlicos multivalentes y su consecuente polimerizacin hasta llegar a especies hidrolticas multinucleadas.

2) Adsorcin de las especies hidrolticas en la interfaz de la solucin slida para lograr la desestabilizacin del coloide.

3) Aglomeracin de las partculas desestabilizadas mediante un puente entre las partculas que involucra el transporte de estas y las interacciones qumicas.

4) Aglomeracin de las partculas desestabilizadas mediante el transporte de las mismas y las fuerzas de Van der Waals.

5)Formacin de los flculos.

6)Precipitacin del hidrxido metlico.

Algunas de estas etapas ocurren secuencialmente. Otras coinciden parcialmente y otras incluso pueden ocurrir simultneamente. Se puede suponer que las diferentes etapas de la reaccin pueden resultar controlables en un cierto porcentaje, bajo diversas condiciones qumicas (

MECANISMOS DE COAGULACIN PREDOMINANTES

La coagulacin mediante sales inorgnicas se produce predominantemente por medio de dos mecanismos:

1)Adsorcin de las especies hidrolticas por el coloide, lo que provoca la neutralizacin de la carga

2)coagulacin de barrido, en la que se producen las interacciones entre el coloide y el hidrxido precipitadoCoagulacin por adsorcinCuando se agrega sulfato de aluminio o sales de fierro al agua en condiciones especiales de dosis de coagulante y pH, se forma una serie de especies solubles hidrolizadas.En el caso del sulfato de aluminio, las especies hidrolizadas que se forman son Al 3+ ,Al(OH)2+, Al (OH) yAl(OH)4, las cuales son tomadas a menudo para representar todo el sistema.Estas especies hidro- lizadas se adhieren o forman complejos superficiales con los grupos Silanol (= SiOH) y el coloide, y lo desestabilizan, lo que permite la formacin de flculos (figura 4-22).Este mecanismo es de- nominado neutralizacin de carga (tambin se lo llama de desestabilizacin-adsorcin).Cuando la cantidad de coloides presente en el agua

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO

Influencia de la concentracin de coagulanteExiste mucha especulacin respecto a la influencia de la concentracin de solucin de coagulante en la eficiencia del proceso de tratamiento; incluso se ha sugerido limitar la concentracin mnima a valores del orden de 0,5% en las estaciones de tratamiento. Pero tal sugerencia contradice el procedimiento usual en la realizacin de ensayos de laboratorio, que generalmente usan la solucin de coagulante con una concentracin de 0,1 y 0,2%, dependiendo del volumen de los frascos de los equipamientos de floculacin (1 2 litros) y de las dosis previstas para los ensayos. Factores de mayor influencia en el desarrollo del procesoLos factores que tienen mayor incidencia en el proceso son la naturaleza del agua cruda y lasvariables qumicas. La calidad del agua crudaLas caractersticas del agua cruda que ms influyen en la eficiencia del proceso son la concentracin de coloides (medida normalmente mediante la cantidad de turbiedad o color presente en el agua), la alcalinidad y el pH, el tamao de las partculas y la temperatura.Concentraciones de coloides, alcalinidad y pHSe presentan cuatro situaciones diferentes, dependiendo de las variaciones de coloides en el agua.

a)Alta concentracin de coloides y alcalinidad bajaEs el sistema ms fcil de tratar, ya que solo se debe determinar un parmetro qumico: la dosis ptima de coagulante. La desestabilizacin se realiza por medio de la adsorcin de especies hidrolticas con carga positiva, que se producen instantneamente con niveles de pH cidos (pH 4 a 6, dependiendo del coagulante).b)Alta concentracin de coloides y alcalinidad altaEn este caso, la desestabilizacin se realiza nuevamente por medio de adsorcin y neutralizacin de la carga con niveles de pH neutros o cidos. La neutralizacin de la carga es ms fcil, debido a que el pH permanece generalmente en la regin neutral, donde los polmeros de hidrxidos metlicos no tienen carga muy alta.

c)Baja concentracin de coloides y alcalinidad altaLa coagulacin se realiza en este caso con una dosis de coagulantes relativamente alta para capturar las partculas coloidales. Como alternativa, se puede agregar arcilla o bentonita, para aumentar la concentracin coloidal y el contacto interarticular. La desestabilizacin se realizara, en este caso, mediante la adsorcin y la neutralizacin de la carga.d)Baja concentracin coloidal y alcalinidad bajaEn estos sistemas la coagulacin es ms difcil. La coagulacin por medio de captura se dificulta, ya que el pH disminuye al agregar el coagulante y no permite la formacin de hidrxidos. Asimismo, la coagulacin por medio de adsorcin tambin es difcil, ya que la concentracin coloidal es demasiado baja para permitir el contacto interparticular. Para realizar una coagulacin efectiva, deber agregarse alcalinidad adicional y/o bentonita o preferentemente arcilla.

Temperatura

Es importante en zonas de climas muy marcados, principalmente cuando se alcanzan temperaturas de congelacin.Cahill y Fitz Patrick analizaron la influencia de este factor en un grupo de plantas de Chicago y establecieron dos regiones de variaciones muy marcadas, una entre 0 y 10 C y la segunda entre 10 y 40 C.Variables qumicas

Las principales variables qumicas del proceso son la dosis ptima, el pHptimo, la alcalinidad y la concentracin ptima de coagulante.Dosis ptimaLa influencia de este factor en la eficiencia del proceso se encuentra clara- mente definida en la figura 4-39, en la cual se presentan cuatro curvas de variacin de la turbiedad residual en funcin de la dosificacin de coagulante con pH constante. Estas curvas estn basadas en aguas naturales tratadas con sales de aluminio o hierro (III), que contienen grandes concentraciones de materia coloidal.

pH ptimoEl pH es un factor muy importante en la coagulacin. En general, el pHptimo para la coagulacin de aguas con color es ms bajo (4-6), que para aguascon mayor turbiedad (6,5-8,5). Generalmente las sales frricas son efectivas, en un rango ms amplio de valores de pH que las sales de aluminio.Concentracion optimaLa aplicacin uniforme del coagulante al agua es la principal dificultad para la realizacin de una coagulacin eficiente. El problema reside en que las cantida- des de coagulante son muy pequeas comparadas con el volumen de la masa de agua; esto es, la dosis es muy pequea comparada con el volumen de agua que se va a tratar. Una dosis media de sulfato de aluminio de 30 mg/L a una concentra- cin de 10% representa dispersar un volumen de solucin de apenas 300 mL, equivalente a un cubo de 7 cm de arista en un metro cbico de agua. Con la condicin de que haya suficiente turbulencia, la dispersin ser ms efectiva cuando mayor sea el volumen de solucin o ms diluida sea esta, lo que resultar en una mejor remocin de la turbiedad porque el coagulante entrar ms rpido y ms fcilmente en contacto con el mayor nmero de partculas coloidales.

- GARCIA QUEVEDO XIOMARA- CAYLLAHUA ROJAS ISABEL - APFATA APRI ANGELA-RODRIGUEZ PEREZ LEONARDO

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