Separata de Organicos

TECNO

UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP INGENIERA INDUSTRIALASIGNATURA:TECNOLOGIAINDUSTRIAL2013INDICECAPITULO I ...................................................................................................................................... 1INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA ...................................................................................... 11.1. GENERALIDADES ........................................................................................................................................... 11.2. PROCESOS TECNOLOGICOS ....................................................................................................................... 11.3. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS UTILIZADOS EN LA TECNOLOGIA INDUSTRIAL ................ 41.4. REQUERIMIENTOS DE LA INDUSTRIA PARA LOS DIFERENTES PROCESOS TECNOLOGICOS. ........ 51.5. SIMBOLOS TECNICOS ................................................................................................................................... 7CAPITULO II .................................................................................................................................. 13TRATAMIENTO DEL AGUA ....................................................................................................... 132.1. GENERALIDADES ......................................................................................................................................... 132.1.1 CLASIFICACION DE LAS AGUAS NATURALES ................................................................................... 14

2.1.2. INDICADORES DE CALIDAD DE LAS AGUAS NATURALES .............................................................. 15

2.2. PRINCIPIOS DE TRATAMIENTO DEL AGUA .............................................................................................. 192.2.1. ELIMINACIN DE LAS SUSPENSIONES ............................................................................................. 21

2.2.2. ELIMINACIN DE SUSTANCIAS DISUELTAS/IONIZADAS. ................................................................ 23

2.2.3. ESTERILIZACIN.................................................................................................................................. 27

2.2.4. TECNOLOGA DE MEMBRANAS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA................................................. 27

2.2.5. ELIMINACION DE MATERIA ORGANICA BIODEGRADABLE. ............................................................ 31

2.3. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUA. .............................................................................................. 322.3.1. PROCESO DE POTABILIZACIN DEL AGUA...................................................................................... 32

2.3.2. PROCESOS PARA LA OBTENCIN DE AGUA CON FINES INDUSTRIALES. ................................... 36

2.3.3. TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES. ....................................................................................... 37

CAPITULO III ................................................................................................................................ 41GASES INDUSTRIALES ............................................................................................................... 413.1. OXIGENO, NITROGENO Y ARGON. ............................................................................................................. 413.1.1. Propiedades generales y usos ............................................................................................................... 41

3.1.2. Mtodos industriales de obtencin ......................................................................................................... 42

3.1.3. Proceso Linde ........................................................................................................................................ 43

3.2. HIDROGENO.................................................................................................................................................. 463.2.1. Propiedades generales y usos ............................................................................................................... 46

3.2.2. Mtodos industriales de obtencin. ........................................................................................................ 46

3.2.3. Proceso productivo del hidrgeno a partir del gas natural. .................................................................... 48

3.3. ACETILENO .................................................................................................................................................. 523.3.1. Propiedades generales y usos ............................................................................................................... 52


3.3.3. Mtodo de craqueo con arco elctrico .................................................................................................. 53

3.4. ANHIDRIDO CARBONICO ............................................................................................................................ 543.4.1. Propiedades generales y usos ............................................................................................................... 54


3.4.3. Fabricacin del CO2 lquido y slido. ..................................................................................................... 55

CAPITULO IV ................................................................................................................................ 58FUENTES DE ENERGIA ............................................................................................................... 584.1. GENERALIDADES ......................................................................................................................................... 584.2. FUENTES DE ENERGIA NO RENOVABLES................................................................................................ 604.2.1. EL CARBON........................................................................................................................................... 60

TECNOLOGIA INDUSTRIAL4.2.2. PETROLEO............................................................................................................................................ 63

4.2.3 GAS NATURAL ....................................................................................................................................... 70

4.3. BIOMASA ENERGETICA. (COMBUSTIBLES NO FOSILES). ...................................................................... 714.3.1. LA MADERA........................................................................................................................................... 72

4.3.2. BIOCOMBUSTIBLES ............................................................................................................................. 73

4.3.3. BIOGAS. ................................................................................................................................................ 74

4.4. COMBUSTIBLES NUCLEARES .................................................................................................................... 744.5. ENERGIA SOLAR ......................................................................................................................................... 754.5.1. GENERALIDADES. ................................................................................................................................ 75

4.5.2. TECNOLOGIAS DE APROVECHAMIENTO TERMICO DE LA ENERGIA SOLAR ............................... 76

4.5.3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ..................................................................................................... 81

4.6. OTRAS FUENTES DE ENERGIA .................................................................................................................. 83CAPITULO V.................................................................................................................................. 85TECNOLOGIA QUIMICA INORGANICA ................................................................................. 855.1. AMONIACO .................................................................................................................................................... 855.1.1. USOS DEL AMONACO......................................................................................................................... 85

5.1.2 ASPECTOS TECNOLOGICOS. ............................................................................................................. 86

5.2. ACIDO NITRICO............................................................................................................................................. 895.2.1. USOS DEL ACIDO NITRICO ................................................................................................................. 89

5.2.2. OBTENCIN INDUSTRIAL.................................................................................................................... 90

5.3. ACIDO SULFURICO ...................................................................................................................................... 935.3.1. USOS INDUSTRIALES .......................................................................................................................... 93

5.3.2. OBTENCION INDUSTRIAL.................................................................................................................... 93

CAPITULO VI ................................................................................................................................. 97TECNOLOGIA DE LOS FERTILIZANTES ............................................................................... 976.1. GENERALIDADES ......................................................................................................................................... 976.2. FERTILIZANTES SIMPLES CON NITROGENO............................................................................................ 986.3. NITRATO DE AMONIO .................................................................................................................................. 986.3.1. GENERALIDADES. ................................................................................................................................ 98

6.3.2. PROCESO DE FABRICACIN .............................................................................................................. 99

6.4. UREA............................................................................................................................................................ 1006.4.1. GENERALIDADES............................................................................................................................... 100

6.4.2. FORMACIN DEL CARBAMATO DE AMONIO Y DE UREA .............................................................. 101

6.4.3. PROCESO DE FABRICACION. ........................................................................................................... 102

CAPITULO VII ............................................................................................................................ 104CEMENTO PORTLAND.............................................................................................................. 1047.1. GENERALIDADES ....................................................................................................................................... 1047.2. PROPIEDADES, TIPOS Y USOS ................................................................................................................ 1057.3. PROCESO DE PRODUCCION .................................................................................................................... 106CAPITULO VIII ............................................................................................................................ 111TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES CERAMICOS ......................................................... 1118.1. GENERALIDADES. ...................................................................................................................................... 1118.2. MATERIAS PRIMAS .................................................................................................................................... 1138.2.1. MATERIAS PRIMAS PLSTICAS ....................................................................................................... 113

8.2.2. MATERIALES NO PLSTICOS ........................................................................................................... 114

8.2.3. MATERIALES EN TRANSICIN ......................................................................................................... 115

8.3. METODOS INDUSTRIALES DE OBTENCIN. ........................................................................................... 1158.3.1. INDUSTRIAS CERMICAS. ................................................................................................................ 116III

20138.3.2. BARNIZADO Y ESMALTADO. ............................................................................................................. 118

8.4. PRODUCTOS CERAMICOS. ....................................................................................................................... 120CAPITULO IX ............................................................................................................................... 122TECNOLOGIA DE JABONES Y DETERGENTES ................................................................. 1229.1. TECNOLOGIA DE LOS JABONES ............................................................................................................. 1229.1.1. GENERALIDADES............................................................................................................................... 122

9.1.2. FABRICACIN DE JABONES ............................................................................................................. 124

9.1.3. SAPONIFICACIN DE ACEITES Y GRASAS. .................................................................................... 125

9.1.4. FABRICACIN DE JABN POR NEUTRALIZACIN DE CIDOS GRASOS. ................................... 129

9.1.5. ACABADO DEL JABN....................................................................................................................... 131

9.1.6. PRODUCTOS COMERCIALES. .......................................................................................................... 132

9.1.7. APLICACIONES DE LOS JABONES. .................................................................................................. 132

9.2. TECNOLOGIA DE LOS DETERGENTES .................................................................................................... 1349.2.1. PROPIEDADES Y CLASIFICACION.................................................................................................... 134

9.2.2. OBTENCION INDUSTRIAL DEL DETERGENTE ANIONICO.............................................................. 136

9.2.3. DETERGENTES COMERCIALES. ...................................................................................................... 137

CAPITULO X................................................................................................................................. 140TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES PLASTICOS ........................................................... 14010.1. GENERALIDADES ..................................................................................................................................... 14010.2. REACCIONES DE POLIMERIZACIN ...................................................................................................... 14010.3. CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES PLASTICOS............................................................................ 14310.4. PRINCIPALES POLMEROS PARA PRODUCCIN DE PLASTICOS. ................................................... 14410.5. PRINCIPALES RESINAS PARA PRODUCCIN DE PLASTICOS. ......................................................... 14710.6. ADITIVOS PARA LOS MATERIALES PLASTICOS.................................................................................. 14910.7. MTODOS DE PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES PLSTICOS. .............................................. 15010.7.1. MTODOS PARA PLSTICOS TERMOESTABLES O DUROPLASTOS. ........................................ 151

10.7.2. MTODOS PARA PLSTICOS TERMOFORMABLES. (TERMOPLSTICOS). ............................... 153

10.7.3. PROCESAMIENTO DE PLSTICOS CELULARES ......................................................................... 159

10.7.5. PROCESOS DE RECUBRIMIENTO ................................................................................................. 160

10.8. RECICLADO DE MATERIALES TERMOPLASTICOS. ............................................................................. 162CAPITULO XI ............................................................................................................................... 163TECNOLOGIA DE LAS FIBRAS TEXTILES .......................................................................... 16311.1. GENERALIDADES ..................................................................................................................................... 16311.2. CLASIFICACIN DE LAS FIBRAS ........................................................................................................... 16411.3. PROPIEDADES DE LAS FIBRAS NATURALES ...................................................................................... 16511.4. FIBRAS NATURALES ORGNICAS DE ORIGEN ANIMAL..................................................................... 16511.5. FIBRAS NATURALES ORGNICAS DE ORIGEN VEGETAL.................................................................. 16611.6. FIBRAS ARTIFICIALES ............................................................................................................................. 16711.7. FIBRAS SINTETICAS ................................................................................................................................ 168BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................ 171CAPITULO IINTRODUCCION A LA TECNOLOGIA1.1. GENERALIDADESLa TECNOLOGIA es la ciencia que estudia los procedimientos y los procesos de transformacin de la MATERIA PRIMA en PRODUCTOS TERMINADOS y MEDIOS DE PRODUCCION.

La tecnologa se clasifica en:

a) Tecnologa mecnica la que estudia los procesos que modifican el aspecto exterior, la forma y las propiedades fsicas del material.

b) Tecnologa qumica la que estudia los procesos que modifican la composicin y estructura interna de las sustancias y que se realiza mediante las reacciones qumicas.

La tecnologa utiliza los mtodos de la fsica, qumica, fisicoqumica, mecnica, termodinmica, electrnica, etc., con la finalidad de obtener los productos terminados en condiciones tcnico - econmicas concretas, tomando en cuenta la utilidad econmica de los procesos respectivos.

El mayor objetivo de la tecnologa es la elaboracin de los esquemas tecnolgicos de los procesos industriales (llamados Diagramas de Flujos), su diseo y construccin, as como elegir los materiales para los equipos y las instalaciones auxiliares que correspondan.

1.2. PROCESOS TECNOLOGICOSUn PROCESO TECNOLOGICO tiene como objetivo la obtencin de productos intermedios y productos terminados, o el mantenimiento y la reparacin de un sistema tcnico, y se realiza mediante operaciones fsicas y procesos qumicos, que se llevan a cabo simultneamente o en una sucesin ordenada en tiempo, y en equipos industriales. La sucesin de las operaciones a travs de las cuales se realiza un proceso tecnolgico se llama FLUJO TECNOLOGICO del proceso respectivo y el tiempo necesario para el desarrollo de todas las operaciones constituye el CICLO DE FABRICACION de un producto.

Los procesos tecnolgicos se componen en general de varias fases (o etapas) de fabricacin que a su vez son formadas por operaciones y procesos unitarios.

Los criterios de clasificacin de los procesos tecnolgicos son varios, como por ejemplo:

a) Segn la forma en que se realizan, se distinguen:-El proceso discontinuo (peridicos o por batch) aquel proceso en que una porcin de materia prima alimenta la instalacin donde se procesa y luego se descargan todos los productos, en un determinado perodo de tiempo. Durante la descarga y la carga el equipo tiene tiempos muertos.

-El proceso continuo - aquel en el cual el suministro de la materia prima y la salida del producto se efectan ininterrumpidamente durante un largo tiempo. De esta manera, el equipo no tiene horas muertas y posee una productividad ms alta.

-El proceso combinado en general se aplica a procesos tecnolgicos con varias fases, donde algunas etapas son continuas y otras discontinuas.

b) Segn el modo de utilizacin de las mquinas y equipos:-Los procesos manuales - todas las etapas del proceso se realizan a travs del trabajo fsico del hombre.

-Los procesos mecanizados aquellos en los cuales parte del trabajo fsico del hombre se reemplaza por el de las mquinas.

-Los procesos automatizados son procesos dotados con mecanismos automticos (controlados por computadoras) para la realizacin de algunas operaciones sin la intervencin del hombre. Se pueden automatizar aparatos, equipos, etapas de un proceso e inclusive todo un proceso tecnolgico.

- Los procesos mixtos procesos con etapas combinadas (manuales, mecanizadas y automatizadas)

segn las necesidades y facilidades que se desean obtener.

c) Segn la naturaleza de los cambios producidos:

-procesos qumicos

-procesos fsico-qumicos

-procesos bioqumicos

-procesos fsicos

-procesos mecnicos.

En las industrias de perfil qumico, los procesos fundamentales son los qumicos, fsico-qumicos, bioqumicos; los procesos fsicos y mecnicos tienen carcter auxiliar.

Las alternativas tecnolgicas de realizacin de un proceso tecnolgico, en la industria qumica son mltiples, pero siempre se busca la variante tecnolgica ptima que corresponda al beneficio econmico mximo.

Un proceso tecnolgico industrial se caracteriza por diferentes medidas fsicas, llamadas VARIABLES o PARAMETROS1del proceso (temperatura, presin, flujo, etc.). Los parmetros del proceso se establecen de conformidad con los ndices de calidad deseados para el producto. Es necesario que los parmetros del proceso se mantengan constantes, o que puedan modificarse en conformidad a un programa preestablecido, realizando de este modo lo que se conoce como REGIMEN NOMINAL DEL PROCESO TECNOLOGICO. La constancia de los parmetros tecnolgicos se puede realizar manual u automticamente.

Los parmetros cinticos y termodinmicos de los procesos qumicos determinan la estructura y complejidad de los equipos y maquinaria que realizan dichos procesos y en consecuencia determinan los gastos para su adquisicin y mantenimiento.

La CALIDAD de los productos fabricados es determinada en gran parte por las propiedades de las materias primas y los materiales auxiliares, as como por la estructura de los procesos tecnolgicos y la explotacin racional de las instalaciones donde se realizan estos procesos.

Los principales indicadores que caracterizan un proceso tecnolgico desde el punto de vista tcnico econmico son:

-el consumo de materias primas y materiales

-el consumo de energa

-el rendimiento o eficiencia del proceso

-la calidad de los productos obtenidos1 Una variable representa una propiedad de un sistema o una magnitud fsica medible. Un parmetro representa un valor o rango de valores que puede tener una variable.

-los costos de produccin

-las inversiones y gastos.

La elaboracin del proceso tecnolgico por el cual se aseguran las materias primas, los materiales auxiliares y energa, implica conocer las leyes generales que siguen estos procesos, sus estructuras y caractersticas.

1.3. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS UTILIZADOS EN LA TECNOLOGIA INDUSTRIALLa mayora de las materias primas utilizadas en la industria qumica, se encuentran en forma de mezcla, cuya separacin y purificacin presenta grandes dificultades tecnolgicas.

En la fabricacin de todos los productos se requieren de las siguientes etapas del proceso tecnolgico:

a)preparacin y purificacin de la materia prima

b)procesamiento de la materia prima o reaccin propiamente dicha c)acondicionamiento de los productos finales.

Los procesos tecnolgicos son proceso TIPO y se componen de operaciones unitarias y

procesos unitarios.

Las operaciones unitarias son transformaciones fsicas de la materia, que se refieren al tratamiento industrial de las sustancias u elementos qumicos, en los cuales no se modifica la estructura sino solamente el aspecto exterior. Como ejemplo de operaciones unitarias se mencionan: operaciones de reduccin de tamao de partcula (chancado, trituracin, molienda), operaciones de cambio de fase fsica (fusin, vaporizacin, sublimacin, condensacin, solidificacin, etc.), operaciones de separacin fsica (destilacin, absorcin, adsorcin, secado, decantacin, sedimentacin, etc.).

Los procesos unitarios son transformaciones de la materia por las cuales se cambia la estructura interna y las propiedades fsicas y qumicas de las sustancias. Como ejemplo de procesos unitarios se indican todas las reacciones qumicas, como: combustin, sntesis, neutralizacin, descomposicin trmica, hidrogenacin, sulfonacin, etc.).

Las operaciones y procesos unitarios se realizan en equipos industriales especficos y el flujo tecnolgico se presenta mediante esquemas tecnolgicos llamados DIAGRAMAS DE BLOQUE y los DIAGRAMAS DE FLUJO o FLOW SHEET.

El diagrama de flujo describe el flujo tecnolgico completo, indicando los equipos y la conexin entre los aparatos, con representacin parcial de la ubicacin de stos en forma vertical u horizontal, mostrando la circulacin de los materiales por cada libre u otro tipo de transporte. Para la elaboracin de los diagramas de flujo se utilizan los smbolos tcnicos.

El smbolo tcnico es una representacin grfica simplificada de los equipos industriales, utilizado en los distintos trabajos de tecnologa. Este smbolo tcnico debe mostrar clara y sugestivamente el aparato respectivo y su funcionamiento y debe permitir el fcil dibujo de los diagramas de flujo.

El diagrama de bloque describe el flujo tecnolgico completo, indicando, en secuencia lgica y sucesiva, las operaciones y procesos unitarios que componen el proceso tecnolgico respectivo. Cada bloque puede corresponder a un conjunto de actividades afines, sin mezclar operaciones con procesos unitarios. .

1.4. REQUERIMIENTOS DE LA INDUSTRIA PARA LOS DIFERENTES PROCESOS TECNOLOGICOS.Asegurar las caractersticas preestablecidas de los productos finales requiere de las siguientes condiciones:

a) Maquinaria y equipos industriales, de preferencia de tipo estndar, conociendo sus especificaciones y caractersticas para poder efectuar los clculos de ingeniera correspondientes.

b) Materiales de construccin adecuados, para evitar la corrosin prematura y el desgaste mecnico de la misma.

c) Instrumentos de control y medicin que permita la regulacin de las operaciones y procesos unitarios.

d) Permanente control de calidad de las materias primas, los productos intermedios y los productos terminados.

e)Tipos de envases y almacenajes adecuados.

f)Normas de seguridad industrial, para proteccin de los operarios y de las instalaciones. g)Ambiente ptimo de trabajo.

h)Trabajar de modo cientfico, segn las leyes y patentes existentes. i)Desarrollar permanentemente los trabajos de investigacin.

j)Preocupacin permanente por el medio ambiental, evitando su contaminacin.

k)Establecer especificaciones de reciclaje de productos defectuosos y recuperacin de materias primas, en donde sea posible.

1.5. SIMBOLOS TECNICOSTRANSPORTE DE SUSTANCIASBOMBA

VALVULA

COMPRESOR

COMPRESORBANDA TRANSPORTADORA

INSUFLADORA (SOPLANTE)

INSUFLADORA

ALMACENAMIENTO DE SUSTANCIASTANQUE HORIZONTAL

TANQUE VERTICAL

TANQUE A PRESION

TANQUE ESFERICO

SILO DE ALMA- CENAMIENTO

DOSIFICADOR

TANQUE ABIERTO

CALENTAMIENTO O ENFRIAMIENTO Y CAMBIO DE FASE DE LAS SUSTANCIASENFRIADOR (CONDENSADOR)

CALENTADOR (EVAPORADOR)

INTERCAMBIADOR DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Fluidos en proceso.

(La flecha interna indica direccin del calor)

INTERCAMBIADOR DE CALOR TUBULAR

HORNO

DISMINUCION DE TAMAO Y CLASIFICACIONgrueso

TRITURADORA (CHANCADORA)

MOLINO DE RODILLOS (PRENSA ROLADORA)

MOLINO DE BOLASTAMIZ O CRIBA

fino

SEPARACION DE MEZCLAS HETEROGENEASAgua cruda

Agua decantada

Agua

crudaAgua sedimentada

lodosDECANTADOR SEDIMENTADOR HORIZONTAL

LodoLodoLodo

DECANTADOR SEDIMENTADOR DE

SERPENTIN

slidoFILTRO DE ARENA

FILTRO HORIZONTAL

FILTRO VERTICAL

FILTRO PRENSA

lquido

Fase gaseosa

gas

gasFase lquida

slido

slido

agua

SEPARADOR DE FASES

CICLON

FILTRO ELECTROSTATICO

SEDIMENTADOR (ESPESADOR)

SEPARADOR DE FASES

SEPARADOR DE FASES Liquido - vapor

SEPARACION DE MEZCLAS HOMOGENEASH2O

Solucin alcalina

H2SO4

Solucin gastada

TORRE DE LAVADO

Producto de tope

(vapor)

Solucin gastada

TORRE DE ABSORCION

Productos de tope

(vapor)

cido diludo

TORRE DE SECADO

(agente higroscpico)

TORRE DE SECADO

Productos de tope

(vapor)

Liq. +vacioSolucin binaria

Solucin

multi-

componente

fracciones

Solucin multi componente

Producto de fondo

(lquido )

COLUMNA DE DES- TILACION SIMPLE

Producto de fondo

(lquido)

COLUMNA DE DESTILACION FRACCIONADA

Producto de fondo( lquido)

COLUMNA DE DESTILACION FRACCIONADA AL VACIO

REACCIONES QUIMICASEntrada

Salida

REACTOR ATMOSFERI-CO CON AGITADOR

Entrada

Salida

REACTOR CON AGITADOR Y CHAQUETA

Entrada

Salida

REACTOR CON CATALIZADOR FIJO

REACCIONES QUIMICAS (Continuacin)Entrada

Salida REACTOR CON CATALIZADOR TUBULAR

EntradaSalidaREACTOR CON BURBUJEO

Entradaa vacio

Salida

REACTOR AL VACIO CON SERPENTIN

Entrada

EntradaGases de combustin

Salida

REACTOR CON ARCO ELECTRICO

HORNO GIRATORIO

Salida

gases

REACTOR Fase gaseosa

SECADO Y GRANULACIONAre seco

Entrada

Are hmedo

Are hmedoEntradaAreAireSalidaSECADOR TUBULAR

Salida

SECADOR - GRANULADOR ( ATOMIZADOR )

CENTRIFUGA

EXTRUSOR GRANULADOR

SECADO Y GRANULACION. (continuacin)Material a secar

Licor madre

cristales

CRISTALIZADOR

aire

COLUMNA DE SECADO- GRANULADO (contnuo)

MEZCLA DE SOLIDOSEXTRUSOR

Forma continua

INYECTORA

(molde)

AMASADOR (Bambury))

MEZCLADOR DE BANDA (Amasador)

CALANDRIABLENDER(mezclador de polvos)

VARIOSe1e2

Salida gas

Agente trmico

s1gas 1gas 2TANQUE DE MEZCLA

TORRE DE MEZCLA

EVAPORADOR

CAPITULO IITRATAMIENTO DEL AGUA2.1. GENERALIDADESEl agua tiene un papel muy importante en la actividad socio econmica de un pas. Adems de la funcin de materia prima, medio

de transporte y de fuente de energa, el aguaconstituye un elemento indispensable para el desarrollo de cualquier actividad.

En la naturaleza no existe agua pura, debido a su interaccin con el medio ambiental, presentndose el agua como un sistema dinmico, complejo, que contiene gases, sustancias minerales y orgnicas disueltas o en sus-pensin. La figura 2-1 muestra la dinmica del sistema y los puntos donde el agua va cambiando sus caractersticas fsicas, qumicas,

fsico-qumicas y bacterio-lgicas.

Figura 2-1 El ciclo del agua

Fuente: U.S. Geological Survey

Las reservas de agua dulce, ya bastante reducidas y limitadas, disminuyen cada ao debido a la contaminacin de las aguas naturales, por las aguas residuales insuficiente-mente purificadas o

simplemente no purificadas.Figura 2-2: Distribucin del agua en la tierraAgua de mares y ocanos

97,3 % Agua dulce2,7 %

Capa glacial77,2

Agua subterrnea*22,4Lagos0,35Agua atmosfrica (humedad)0,04

Ros0,01

*Aproximadamente 2/3 se encuentra a profundidades mayores de 750 metros.

El agua cubre aproximadamente el 75 % de la superficie terrestre y se encuentra estado slido (como nieve, hielo, granizo, hielo flotante), estado lquido (ros, lagos, mares, ocanos, lluvia, agua subterrnea) y en estado gaseoso/vapor (como humedad atmosfrica, neblina). Se encuentra

tambin en los organismos animales y vegetales y

como agua de cristalizacin, en los cristalohidratos.

necesidades de la humanidad, pero el problema est en su ubicacin: casi nunca esta donde se necesita y en la cantidad, calidad y tiempo requerido. Todo esto obliga a la construccin de obras hidrulicas para la captacin, acumulacin y transporte del agua, as como desarrollo de tcnicas de depuracin en la recepcin, antes de su descarga o en la reutilizacin. Todas estas tcnicas constituyen el Tratamiento del Agua.

2.1.1 CLASIFICACION DE LAS AGUAS NATURALESExisten varios criterios de clasificacin para las aguas naturales, entre los cuales podemos indicar:

2.1.1.1. Segn la procedencia, las aguas naturales se pueden clasificar en:a) Agua meterica - la que proviene de la evaporacin de las aguas de la superficie terrestre y su condensacin en la atmsfera, en forma de lluvia y nieve. Aunque el agua meterica es la ms pura, en el camino hacia la tierra absorbe junto con el oxgeno (O2), nitrgeno (N2) y dixido de carbono o anhdrido carbnico (CO2), tambin otros gases como: sulfuro de hidrgeno (H2S), dixido de azufre o anhdrido sulfuroso (SO2), trixido de azufre o anhdrido sulfrico (SO3), xidos de nitrgeno (NOx) y compuestos orgnicos voltiles (COV) muchos de ellos txicos - que se encuentran en la atmsfera de las zonas industriales y sustancias slidas como: polvo, holln, polen, bacterias, etc.

b) Agua subterrnea proviene de la infiltracin de las aguas metericas por las capas de la tierra, acumulndose en depsitos (napas freticas) y/o ros subterrneos. Su composicin es muy variable y es funcin de la composicin de las tierras por las cuales se va infiltrando. Este tipo de agua tiene un alto contenido de CO2 que disuelve los carbonatos de calcio (piedra caliza) o de magnesio,

formando bicarbonatos solubles de calcio o de magnesio, segn las reacciones N. 2-1 y 2-2:

CO2 +H2O+CaCO3Ca(HCO3)2CO2 +H2O+MgCO3Mg(HCO3)2

(2-1) (2-2)

c) Agua de superficie proviene de los ros, lagos, mares y ocanos. La composicin de este tipo de agua es muy variada, dependiendo de la estacin, del tipo de suelo, de las condiciones climticas, etc. El agua de los ros son las que se contaminan en mayor grado por la actividad humana poblacin urbana y rural, actividades agrcolas, industriales, mineras, etc. El agua de los lagos tiene una composicin casi constante, que es modificada por la naturaleza: las lluvias, el aumento de la

temperatura, de la agitacin de la superficie (vientos), del desarrollo de los microorganismos que absorben el dixido de carbono y liberan oxgeno, y la recarga de los lagos por fuentes contaminadas. El agua de los mares y ocanos contienen una mayor cantidad de sales disueltas que las otras aguas de superficie. Entre las sales existentes se mencionan: grandes cantidades de cloruros de sodio y potasio, sulfatos y pequeas cantidades de casi todos los dems elementos conocidos.

2.1.1.2. Segn la concentracin de las sustancias disueltas:

a. Agua dulce - (sustancias disueltas 0,1 %)

b. Agua mineral o medicinal - (sustancias disueltas entre 0,1 y 5%)

c. Agua salada - (sustancias disueltas 5 %)

Las aguas medicinales son aguas naturales (generalmente subterrneas) que contienen disueltas diferentes sustancias en distintas concentraciones, en especial sales sulfurosas cuya utilizacin producen modificaciones sobre el organismo humano. A su vez, las aguas medicinales se pueden sub-clasificar en funcin de la temperatura en aguas fras (menores a 20C), aguas mezotermales (entre 20 y 50C) y aguas hipertermales (mayores a 50 C)

2.1.1.3. Segn la dureza (concentracin de sales solubles de calcio y magnesio)

a. Aguas blandas b. Aguas duras

Las aguas duras producen sustancias slidas por efecto de la temperatura y su presencia es perjudicial en muchos procesos industriales.

2.1.2. INDICADORES DE CALIDAD DE LAS AGUAS NATURALESTemperatura. La temperatura de las aguas naturales depende de su procedencia. Las aguas subterrneas se caracterizan por una temperatura relativamente constante, en comparacin con las aguas de superficie, que presentan variaciones en funcin de la estacin y de la ubicacin geogrfica. La temperatura del agua tiene influencia sobre la solubilidad de sustancias que se encuentran en contacto con ella.

Color. El agua pura, en capas no muy gruesas, es incolora y en capas gruesas presenta coloracin azul-verdosa. Las aguas naturales pueden presentar distintos tonos, determinados por su composicin o por las condiciones del terreno. El color verdusco del agua de los lagos se debe a los terrenos calcreos y el color amarillento indica presencia de hidrxido de hierro coloidal o sustancias arcillosas.

Olor y sabor. El agua pura es inspida e inodora, pero las aguas naturales presentan en la mayora de los casos un sabor y un olor especfico que depende de una serie de factores como: la composicin qumica del agua, la temperatura, la presencia de sustancias voltiles, etc. Las causas de la aparicin y desarrollo del sabor y olor del agua pueden ser mltiples: la actividad de los microorganismos, la presencia de microorganismos muertos, los gases disueltos, las sustancias orgnicas y minerales, los compuestos de hierro y manganeso, los carbonatos y sulfatos, los fenoles u otros distintos productos del petrleo.

Turbidez. La turbidez de las aguas es debida a la presencia de sustancias slidas en suspensin (arcillas, arena, lodos, materias orgnicas, etc.). La turbidez del agua se mide en grados convencionales de slice. Un grado de turbidez representa la opacidad producida por 1 mg de SiO2en un litro de agua destilada. Actualmente se utiliza la unidad nefelomtrica2 de turbiedad (NTU)

equivalente a 7.5 ppm de Si02 o 1 ppm de formazina estndar.

pH (acidez, basicidad). El valor del pH es un factor muy importante que determina las caractersticas organolpticas del agua, la capacidad de reaccionar en varios tratamientos, la agresividad, la capacidad de constituirse como medio de vida y desarrollo para diversos organismos biolgicos, etc.

Para el normal desarrollo de un proceso bioqumico es necesario que el pH del agua est entre 6,5

8,5. Las aguas con pH bajo (pH7) producen intensas espumas y se debe a la presencia de los iones bicarbonato, carbonato, hidrxido y a veces silicato y fosfato.

Anhdrido carbnico (Dixido de carbono). La mayor parte del anhdrido carbnico libre existente en el agua, se encuentra disuelto fsicamente y slo el 0,7 % se encuentra en forma de cido carbnico (reaccin 2-2a). El efecto del cido carbnico en el agua se presenta al reaccionar con los

carbonatos presentes en los suelos para formar los bicarbonatos solubles (reaccin 2-1).2 nefelmetro. (Del gr. , nube, y metro).1. m. Instrumento para medir la turbidez de un fluido o para determinar la concentracin y tamao de las partculas en suspensin por medio de la luz que difunden en un tubo.

El CO2 es soluble en el agua (90mL a 20C, 180mL a 0C) y su presencia origina la reaccin

2- 2adando carcter acido al agua favoreciendo la reaccin con slidos alcalinosformando sustancias solubles que se incorporan al agua

En este sistema en equilibrio aparecen todas las formas del anhdrido carbnico del agua: el CO2 libre (cido carbnico), el CO2 semi-atado (en los bicarbonatos), el CO2 atado (en los carbonatos), y tambin existe el CO2 que permanece disuelto en el agua que se denomina anhdrido carbnico agresivo, porque es capaz de disolver nuevas cantidades de carbonatos transformndolos

en bicarbonatos solubles.[ CO2 + H2O ] + CaCO3 Ca(HCO3)2CO2 + H2O H2CO3

(2 1)(2 2a)

El anhdrido carbnico no altera las cualidades organolpticas del agua, al contrario, le da una agradable sensacin a frescura. El CO2 agresivo puede transformar el agua en no potable, al disolver ciertos metales txicos como: plomo, cobre, etc. En el agua para la alimentacin de los calderos, el CO2 libre no es deseado porque tiene una accin corrosiva.

Oxgeno. El oxigeno es fuente vida, un agua limpia contiene 8 mg/L de oxigeno disuelto. El oxgeno en el agua tiene una procedencia muy variada: por disolucin del oxgeno del aire atmosfrico, de los procesos de asimilacin de la flora acutica, etc. La existencia en el agua de algunas sustancias que se pueden oxidar, modifican el contenido del oxgeno, disminuyndolo bajo su lmite de saturacin.

a)Demanda bioqumica de oxgeno (DBO), es un parmetro que mide la cantidad de oxgeno requerida por los micro-organismos para descomponer por oxidacin la materia orgnica en una menos compleja fcilmente degradable. La DBO se utiliza para determinar el grado de contaminacin y normalmente se mide transcurridos 5 das (DBO5) y se expresa en mg O2/L de agua, a la temperatura de 20 C.

b)Demanda qumica de oxgeno (DQO), representa la cantidad de oxigeno necesario para oxidar toda la materia orgnica por medio de dicromato en solucin cida para convertirla en anhdrido carbnico y agua.

La DQO es un mtodo aplicable en aguas continentales (ros, lagos, acuferos, etc.), aguas residuales o cualquier agua que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgnica. No

es aplicable para las aguas potables debido al valor tan bajo que se obtendra y, en este caso, se utiliza el mtodo de oxidacin con permanganato potsico.

La relacin entre los valores de DBO y DQO para un agua, es un valor emprico indicativo de la biodegradabilidad de la materia contaminante. En aguas residuales un valor de la relacin DBO/DQO menor de 0,2, se interpreta como un vertido de tipo inorgnico y orgnico s es mayor de 0,6.

c)Carbono orgnico Total (COT), este parmetro es la medida del contenido total de carbono de los compuestos orgnicos presentes en las aguas. Se refiere tanto a compuestos orgnicos tanto fijos como voltiles, naturales o sintticos. Es la expresin ms correcta del contenido orgnico total.

La presencia de carbono orgnico que no responda a las pruebas de DBO y/o DQO hace que stas, no sean una determinacin adecuada para estimar el contenido total en materia orgnica. El COT es una expresin mucho ms conveniente para este fin.

Dureza.3Denota la presencia de los iones Ca2+, Mg2+ y HCO3- (bicarbonato) solubles en el agua. Se conocen varios tipos de dureza como:

a) Dureza temporal: - Se debe a la presencia de los bicarbonatos de calcio y de magnesio disueltos en el agua. Por calentamiento a ebullicin, la dureza temporal se elimina por la descomposicin de los bicarbonatos, precipitndose los carbonatos respectivos, segn las

reacciones N. 2-3 y 2-4:Mg(HCO3)2 MgCO3 +CO2 + H2O Ca(HCO3)2CaCO3 + CO2 + H2O

(2 3) (2 4)

b) Dureza permanente: - Se debe a la presencia de los nitratos, sulfatos y cloruros (entre otros)

de calcio y magnesio solubles en el agua y no se pueden eliminar por simple ebullicin del agua.

c) Dureza total: - Es la suma de las sales solubles de calcio y magnesio (suma de la dureza temporal y permanente).

3 El concepto de dureza de las aguas est asociada con la formacin de precipitados slidos insolubles. Inicialmente se observ en la pedida aparente del poder limpiador del jabn al formarse precipitados (mbito domstico); de otro lado, se observaron depsitos slidos adheridos a las paredes internas de las tuberas que conducan agua caliente y en las paredes internas de los calderos (mbito industrial). Luego del anlisis de casos presentados se concluye que se debe a la presencia de sales disueltas en el agua que contenan calcio y magnesio.En la actualidad, en los reportes de anlisis de agua el contenido de las diferentes sales del agua se expresan como ppm de CaCO3 o como equivalentes de CaCO3 para facilitar los clculos. El figura 2-3 muestra una calificacin para la dureza del agua en ppm de CaCO3.Caractersticas biolgicas y bacteriolgicas

Figura 2-3 Dureza en el agua

Las aguas naturales contienen cantidades variables de micro- y macro-organismos vegetales y animales, debido a las condiciones favorables creadas por el medio acutico.

Los principales contaminantes biolgicos del agua son las bacterias (salmonellas, vibrio cholerae, shigellas, etc) causantes del tifus, clera, gastroenteritis y disentera; los virus causantes de la hepatitis, las amebas que pueden originar la disentera y lombrices como la taenia saginata causante de la triquinosis.

Los microorganismos patgenos como las bacterias del grupo coliforme indicativas de contaminacin de/por animales y de la bacteria escherichia coli indicativa de contaminacin fecal.

El grado de impurificacin bacterial del agua est determinado por el nmero de grmenes que se desarrollan a 37C (elementos patgenos) en un centmetro cbico de agua.

2.2. PRINCIPIOS DE TRATAMIENTO DEL AGUAEl tratamiento del agua se realiza para mejorar las caractersticas del agua cruda de tal manera, que despus del tratamiento, el agua cumpla con los parmetros de calidad requeridos. Normalmente el agua superficial tiene un elevado contenido de slidos suspendidos, bacterias, algas, materia orgnica que provocan mal sabor y olor y el agua subterrnea (pozo) tienen elevado contenido de sales disueltas y posiblemente bacterias.

En general, para establecer un proceso de tratamiento del agua, se requiere conocer el uso final, y por ende, las caractersticas que debe tener el agua tratada (columna agua tratada de la figura 2 4). Sobre la fuente de agua a utilizar (agua sin tratamiento) debe tenerse la informacin

sobre las caractersticas del agua de la fuente, caudal (disponibilidad) y estacionalidad (variaciones en el tiempo). Con esta informacin se elabora el proceso de tratamiento adecuado del agua.

Figura 2 - 4Agua sin tratamientoInformacin sobre las Caractersticas fsicas, qumicas, fisicoqumicas y

bacteriolgicas.

Tratamiento adecuadoOperaciones y/o procesos unitarios.

Procesos bioqumicos y

bacteriolgicos

Agua tratadaInformacin sobre las

Caractersticas fsicas, qumicas, fisicoqumicas y

bacteriolgicas.Estos procesos de tratamiento se pueden clasificar como:

Tratamiento primario: separacin de sustancias no solubles en el agua (slidos y lquidos no miscibles) y de material inorgnico disuelto.

Tratamiento secundario: tratamiento biolgico de la materia orgnica disuelta en el agua, transformndola en slidos suspendidos que se eliminan con facilidad.

Tratamiento terciario: procesos adicionales (separacin de sales disueltas, nutrientes, patgenos y otros) para mejor la calidad del agua para uso industrial o para mejorar la calidad de los efluentes.

Las fuentes de agua son muy variadas pueden ser aguas naturales (metericas, subterrneas o de superficie), aguas que han recibido un tratamiento (filtrada, potable, etc.) o aguas recicladas (efluente industrial, residual urbana, etc.).Por ejemplo, se necesita agua potable para consumo humano, si la fuente de agua es un ro o la fuente es un pozo artesiano, los procesos de tratamiento del agua difieren por la posible presencia en el agua de rio de slidos (ramas, arena, cscaras, arcillas, etc.), qumicos (detergentes, solventes, insecticidas, etc.) que hay que retirar en el proceso. El agua de pozo arrastra arena (por efecto de la succin), sustancias solubles y patgenas si hay fuente de contaminacin cercana.

Un proceso de tratamiento de agua diferente necesitar una empresa de teidos de tejidos de algodn que utiliza agua potable como fuente de abastecimiento. Dependiendo del tipo de industria, las aguas residuales arrastran diferentes materiales que deben ser retenidos / eliminados antes de verterlos en el sistema de alcantarillado u otro tipo de sistema de descarga (al rio, al mar, etc.).

En la figura 2-5 se muestran ejemplos de los materiales que podran arrastrar y/o contener una fuente de agua.

Figura 2-5Algunos materiales que pueden presentarse en una fuente de aguaSlidos grandesCajas, botellas, ramas

Slidos flotantesCscaras, tecnopor , botellas, bolsas

Slidos pequeos y densosArena, grava

Slidos pequeos y poco densosArcillas, minerales no compactos

Partculas pequeasPolvo

Lquidos no misciblesAceites, kerosene

Gases disueltosAire, CO2

Sustancias disueltasAlcoholes, fertilizantes

Sales ionizadasCarbonatos, cloruros

Bacterias, virusColiformes

Conocida la informacin sobre las caractersticas del agua que se desea obtener y las caractersticas de la fuente de agua cruda se debe conocer la cantidad de agua a tratar por unidad de tiempo, es decir el caudal, para luego establecer los procesos a realizar y la secuencia que deben ejecutarse. El caudal es un factor importante porque es determinante en la seleccin de equipos, en las inversiones y en los costos de procesamiento. Proceso en lote o proceso continuo; nivel de tecnologa de los equipos, fragmentacin de los procesos, etc. son temas a decidir al establecer el tratamiento adecuado.

El tratamiento se inicia con el retiro de los materiales slidos grandes y los materiales en suspensin, seguido de la captura y posterior eliminacin de material particulado fino, olores, color, sustancias disueltas y sustancias ionizadas y finalmente las partculas microscpicas como bacterias, esporas, virus, etc.

2.2.1. ELIMINACIN DE LAS SUSPENSIONESLas suspensiones son partculas slidas que son arrastradas por las corrientes de agua. Son de diferentes tamaos y se encuentran en diferentes cantidades.

Las suspensiones se pueden clasificar en:

Suspensiones gravitacionales con dimetro mayor de 103 m, que se separan por simple decantacin

Suspensiones finas con dimensiones de 10-3 m o menos, que sedimentan a velocidadesmuy reducidas.

Suspensiones coloidales con dimetros entre 1 200 micrmetros, que prcticamente no sedimentan

Todas Las partculas slidas en suspensin estn sometidas a diversas fuerzas que interactan simultneamente y las principales son: Energa cintica (Ec= mv2) por el movimiento del agua, y la energa potencial4 (Ep = mgh). Las partculas se mantendrn es suspensin mientras la Ec > Ep . Cuando el agua disminuye su velocidad, se reduce la Ec y llegar el momento que Ec < Epy la partcula es atrada por la gravedad, es decir sedimenta.La sedimentacin representa la principal operacin de eliminacin de las suspensiones del agua. Cuando se debe procesar grandes cantidades de agua, se hace necesario un proceso continuo el caudal debe mantenerse constante en donde se va reduciendo la velocidad de circulacin del agua para permitir la sedimentacin de las partculas gravitacionales. Los sedimentadores ms utilizados son los estticos de flujo horizontal donde se presenta prdida continua de la velocidad del agua y los sedimentadores verticales de flujo ascendente donde las partculas pierden energa potencial por

impacto con las paredes al cambiar la direccin del flujo. Los sedimentos se decantan5 por la parte

inferior de los equipos.

Mientras menor es la masa de la partcula, menor es la fuerza de la gravedad que acta sobre ella y por tanto, menor es la velocidad de sedimentacin. Cuando sta se hace muy lenta se utilizan productos qumicos que permiten la aglomeracin de las partculas finas en partculas de mayor tamao (mayor masa) que logran hacer ms rpida y fcil la sedimentacin. Este proceso se

denomina Floculacin y los materiales aglomerados se denominan flculos.Las partculas coloidales, adems de ser micromtricas, tienen carga y se producen por fuerzas de repulsin entre ellas que no permiten o hacen muy difcil la sedimentacin. Para desestabilizar los coloides se utilizan sustancias Coagulantes que neutralizan las cargas permitiendo una fcil floculacin.

Generalmente se realiza la coagulacin

Figura 2-6Principales coagulantes floculan tes utilizados en el tratamiento del agua

4 Ep = fuerza de la gravedad * altura = F

.h = mgh.5 Decantacin, procedimiento de separacin de un lquido y un slido insoluble en l, o de dos lquidos no miscibles, basado en la diferencia de densidades y aprovechando la accin de la gravedad.

para desestabilizar al coloide y luego la floculacin para aglomerar los coloides desestabilizados en flculos junto con las partculas muy finas que puedan estar presentes. Los flculos son partculas de mayor tamao y masa y se separan por decantacin. En la figura 2-6 se indican sustancias que se utilizan para esta funcin.

En el tratamiento del agua no se puede reducir la velocidad del agua hasta detener el flujo, por esta razn, en los procesos de sedimentacin y de decantacin no siempre se logra separar todas las partculas en suspensin. El tiempo de retencin hidrulica (TRH) es el tiempo que tarda una partcula de agua en atravesar todo el equipo, en este caso, el sedimentador y es un parmetro establecido por diseo de planta.

Las partculas no sedimentadas se retienen por medio de la operacin unitaria de filtracin que consiste en el paso del agua a travs de una capa porosa (material filtrante), de composicin granulomtrica, que retiene a las partculas en suspensin. En el caso del agua el material filtrante ms utilizado es la arena con un contenido mnimo de 98% de slice y un mximo de 5% de sustancias orgnicas. Otros tipos de materiales filtrantes son: mrmol, tierra de diatomeas, etc.

En la filtracin, las partculas en suspensin que se detienen son aquellas cuyo tamao es mayor a la porosidad del material filtrante. Cuando la cantidad de material retenido es muy grande, se obstruye el filtro producindose la colmatacin del filtro. El proceso inverso, la decolmatacin, se realiza siempre, lavando en contra corriente el filtro, con agua a presin o con agua y are a presin. Se utilizan filtros abiertos (con derrame gravitacional y flujo vertical descendente) y los filtros cerrados (con derrame a presin y flujo segn diseo).

2.2.2. ELIMINACIN DE SUSTANCIAS DISUELTAS/IONIZADAS.6Muchas sustancias qumicas en contacto con el agua se disuelven y/o disocian en cationes y aniones. Las variables que afectan a esta disolucin/disociacin son principalmente la temperatura, pH, concentracin, presencia de gases disueltos.

Entre los mtodos tradicionales se puede mencionar el mtodo trmico en donde por calentamiento algunas sales solubles se descomponen produciendo sales insolubles que precipitan,

6 Disociacin inica. Cuando un compuesto inico o covalente polar se disocia en los iones correspondientes. Disolucin. Mezcla homognea de dos o ms sustancias con composicin variable hasta cierto lmite y fcilmente separable en sus componentes

tal es el caso de los bicarbonatos de calcio o de magnesio que por calentamiento producen carbonatos que son insolubles. La destilacin es otro mtodo de eliminar sales disueltas en el agua al separar el agua por evaporacin. Ambos mtodos requieren gran cantidad de energa trmica y son operaciones unitarias. Otros mtodos tradicionales son los mtodos qumicos que consisten en transformar, utilizando reactivos qumicos, los compuestos solubles en compuestos insolubles, para luego ser separados por sedimentacin y/o por filtracin.

Actualmente se utiliza el mtodo de intercambio inico para retirar selectivamente los iones presentes en el agua mediante el uso de sustancias slidas, difcilmente solubles, que tienen la capacidad de retener los iones (aniones o cationes) que trae el agua y de ceder a cambio parte de sus iones. Estas sustancias solidas se conocen como resinas sintticas para intercambio inico cuando son fabricadas, y las de origen natural son de la familia de las zeolitas. El proceso de intercambio de iones entre el agua y la resina es rpido. Cuando la resina agota sus iones para el cambio, se realiza la regeneracin de la misma. Con el uso, las resinas (naturales o sintticas) van perdiendo sus propiedades, tanto en su capacidad de intercambio de iones como en sus caractersticas fsicas (aplastan, ensucian, envenenan, fragmentan, etc.).

En tratamiento del agua de distinguen dos procesos:

Ablandamiento del agua, que utilizan resinas cationicas o se utilizan zeolitas.

Desmineralizacin completa del agua, haciendo uso de reinas cationicas y resinas anionicas.

Con el ablandamiento del agua se busca retirar de agua los cationes Ca2+ y Mg2+ del agua dura. Las zeolitas (silicatos dobles de aluminio y sodio/potasio) y las resinas cationicas tienen la

propiedad de intercambiar (sus) iones de Na+ o K+ por los iones de Mg+2 y Ca+2 del agua dura.Para el proceso de intercambio de cationes se utilizan torres rellenas de zeolita o de resinas catinicas y el agua dura fluye desde la parte superior a la inferior atravesando el relleno (ver figura 2 7) para obtener agua blanda. En la parte inferior de la torre hay una serie de lminas perforadas, que sostienen el relleno. Cuando se agota la capacidad de cambio de la resina/zeolita se requiere la regeneracin de la misma con un retrolavado con solucin de NaCl al 10%. El retrolavado permite descompactar la resina y retirar cualquier material retenido

durante la operacin normal. Adems de las zeolitas naturales se utilizan

Fig. 2-7

NaCl

al 10%

Agua dura

Agua blanda

las zeolitas artificiales como Permutita, resinas sinteticas fenlicas, pirogallicas, etc.

La desmineralizacin completa (o de-ionizacin completa, segn algunos autores) del agua, es un proceso de etapas sucesivas: la primera intercambiando cationes por iones H+ con resinas tipo R-H y la segunda intercambiando aniones por iones OH- con resinas tipo R-OH. Las resinas de intercambio de iones modernas son preparadas de polmeros sintticos tales como los copolimeros del estirendivinilbenceno en forma de sulfonato para formar unos intercambios de cationes fuertemente cidos o en forma de amina para formar intercambios de aniones fuertemente

bsicos o dbilmente bsicos. Algunos nombres comerciales de estas resinas son: AMBERLITA IR

1; ZEOKAB H , Dowex , De-Acidite , Wofatita , etc.

El proceso de desmineralizacin completa del agua se muestra en el diagrama de flujo de la figura 2-8. En la primera etapa, en la columna de intercambio de cationes (equipo 1) (resina R-H), las sales ionizadas (catines-aniones) en del agua se transforman en cidos libres, por el reemplazo de los cationes metlicos con protones (H+). En la segunda etapa, en la columna de desgasificacin (equipo 2) elimina el H2CO3 (reaccin 2-14) como CO2 que se separa como gas y agua reduciendo parte de la acidez presente (la acidez del agua debido al CO2 agresivo produce corrosin). En la columna de intercambio de aniones (equipo 3), se retienen los aniones de los cidos libres, liberndose los aniones de oxidrilo (HO-), que forman agua con los protones. Al agotarse las resinas es necesario la regeneracin de las mismas: una solucin acida (HCl o H2SO4 al 5%) para la resina cationica y una solucin bsica (NaOH o KOH al 5%)para la resina aninica.

El agua sometida al proceso de desmineralizacin completa es un producto diferente a la obtenida en un proceso de ablandamiento.

Fig. 2-8DIAGRAMA DE FLUJOPROCESO DE DESMINERALIZACION COMPLETA DEL AGUAAgua cruda

H2SO4

NaOH4CO24

Agua en tratamiento Regeneracin de resina catinica Regeneracin de resina aninicaR-HR-OH

123

Agua

Leyenda1. Tanque intercambiador de cationes

2. Desgasificador

3. Tanque intercambiador de aniones

desmineralizadaAcido gastadosoda gastada

4. Dosificador

Ejemplo de reacciones de una desmineralizacin completa

Ingresa al tratamiento inico agua cruda que contiene pequeas cantidades de bicarbonato de calcio, sulfato de calcio, cloruro de magnesio y cloruro de sodio.Tanque 1 con resina de intercambio catinico:Ca(HCO3)2 + 2 RH CaR2 + 2 H2CO3CaSO4 + 2 RH CaR2 +H2SO4MgCl2 + 2 RH MgR2 + 2 HClNaCl+RHNaR +HCl

Tanque 2 desgasificador de cascadaH2CO3 CO2 + H2OPara la separacin del CO2Tanque 3 con resina de intercambio aninicoH2SO4 + 2 R-OH

R2 SO4 + 2 H OH HCl +R-OH

RCl + H OH

El agua que se obtiene est libre de iones, pero no es agua 100% pura.(2-10) (2-11) (2-12) (2-13)

(2-14) (2-15)

(2-16)

Reacciones para la regeneracin de la resina cuando esta se agota.CaR2+ H2SO4 2 RH + CaSO4(2R)SO4 + 2NaOHNa2SO4 + 2(ROH)(2-17) (2-18)

2.2.3. ESTERILIZACIN.El proceso de esterilizacin tiene como objetivo la eliminacin de agentes patgenos del agua. Existen diversos procedimientos y la eleccin est sujeta al uso que tendr el agua tratada.

Entre los mtodos fsicos se menciona al proceso trmico (hervir el agua por 10 minutos), la esterilizacin con rayos ultra-violeta (UV) y el uso de membranas de alta tecnologa. Entre los mtodos qumicos se mencionan el tratamiento con cloro y sus compuestos; con agentes oxidantes como el ozono, el permanganato de potasio; con agentes de superficie, etc.

Desinfeccin con cloro.La disolucin de gas cloro en agua a 25C y 1 bar de presin es aproximadamente de 7g/L. Cuando el cloro se disuelve en agua, reacciona con esta para formar acido hipocloroso (HOCl):

CI2 + H2O HOCI + H++CI-A su vez el acido hipocloroso se disocia parcialmente:

HOCI H+ + CIO-De todas estas especies que se generan por reaccin con agua, slo el ClO- y HOCl son bactericidas, por lo que para cualquier tratamiento de desinfeccin es

preciso operar a un pH que permita la mxima concentracin de estas especies.

2.2.4. TECNOLOGA DE MEMBRANAS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA.Un problema recurrente en la industria es la separacin de partculas para obtener productos de mayor pureza, reducir costos operativos, recortar tiempos de proceso, mejorar la calidad de los productos, mayor calidad, aumentar la productividad, racionalizar el consumo energtico, etc. La Tecnologa de Membranas tiene como objetivo principal la separacin de sustancias disueltas o dispersas en medios fluidos o fluidizados. Una membrana es una fase heterognea que acta como una berrera selectiva al flujo de especies inicas y moleculares presentes en los lquidos y vapores que se encuentran en contacto con su superficie. Se aplican los conceptos de la fsicas, de la fsico- qumica y mecnica de fluidos que permitan interactuar en alguna caracterstica(s) de las sustancias que componen los sistemas (tamao de partcula, difusividad, viscosidad, carga inica, etc.); se han desarrollado productos que operaran como medios de retencin en las diferentes condiciones operacionales (presin, temperatura, pH, etc.); por ltimo, se investiga y se desarrolla la tecnologa para fabricar los equipos y las membranas necesarias para cada actividad. La ventaja comparativa de la tecnologa de membrana es porque no se requiere la adicin de productos qumicos en el tratamiento, con un uso relativamente bajo de la energa comparado con los procesos tradicionales (por ejemplo, la destilacin del agua).

En el tratamiento del agua se aplica tecnologa de membranas para la separacin de partculas microscpicas (10 -5 a menores). La figura 2 - 9 es un resumen de los procesos de

separacin de partculas en medios acuosos. En el eje horizontal se representa en escala logartmica el tamao de partcula, las de mayor tamao a la derecha. En la columna de la izquierda se representan los factores principales (fsicos, fisicoqumicos) que dan origen a la separacin. En el cuerpo se representan los diferentes procesos de separacin desde el punto de vista del tamao de partcula.

Figura 2-9

En la parte inferior se dan ejemplos de los tamaos relativos de materiales y microorganismos que pueden estar presentes en el agua.

De la lectura de la figura 2-9 se puede establecer que la microfiltracin y la ultrafiltracin solo se diferencian por el tamao de partcula que se retienen y la porosidad de la membrana. Entre la nanofiltracin y la osmosis inversa adems del tamao de partcula que se retienen, se diferencia el factor de separacin: la nanofiltracin depende de la porosidad (tamao del agujero) de la membrana y en la osmosis inversa se considera la difusin7 de la partcula en el medio poroso

conocido como membrana semipermeable que son selectivas.7 Difusin, en fsica, flujo de energa o materia desde una zona de mayor concentracin a otra de menor concentracin, tendente a producir una distribucin homognea.

La tecnologa de membranas se desarrolla como un tipo especial de filtracin a condiciones de presin diferentes a la baromtrica. Osmosis, presin osmtica y membranas semipermeables son trminos que se mencionan en estudios del siglo XVIII. La investigacin y desarrollo ha permitido contar con membranas sintticas adecuadas a cada necesidad.

Para el mecanismo de separacin se utilizara la membrana (filtro) como la barrera que permite la separacin, la membrana tiene una porosidad pre-establecida para impedir el paso de partculas de tamao mayor a la porosidad. Las partculas que atraviesan la membrana se denominan Permeado, y todas a las que se le impide el paso forman el Retenido. La alimentacin es todo el sistema fluido que ingresa al proceso. Para que se produzca la separacin es necesario que exista una diferencia de presin entre la zona de alimentacin y la zona de permeado, esta diferencia de presin de denomina presin transmembrana (PTM) y es una variable muy importante a controlar en los procesos de separacin dado que una mayor PTM hace que los retenidos se incrusten en la membrana produciendo el ensuciamiento (fouling) reduciendo la eficacia del proceso.

La ubicacin de la membrana con relacin a la corriente de alimentacin es un factor muy importante para el diseo de equipos. Cuando la ubicacin de la membrana es normal al flujo del fluido se produce el retenido de las partculas de mayor tamao pudiendo colmatarse y es necesario realizar un proceso de limpieza de la membrana a contracorriente o el cambio de la misma. Cuando se ubica la membrana paralela al flujo se busca que las partculas grandes no se queden retenidas sobre la membrana (se reduce la colmatacin), el flujo de alimentacin aumentan su concentracin al retirarse parte del solvente como permeado. Segn diseo, los equipos pueden llevar la membrana con diferente grado de inclinacin con relacin al flujo para aprovechar otras

caractersticas del material disperso, por ejemplo favorecer la sedimentacin y decantar los mismos.Figura 2 -10

AlimentacinPermeado

Retenidomembrana

Alimentacina reciclo

> conc.< conc.

PermeadomembranaMembrana normal o frontal al flujoMembrana tangencial al flujoLa microfiltracin (MF) utiliza membranas con tamao de poro entre 0,05m y 10m y para diferencias de presiones de hasta 2 bar. Se utiliza principalmente para separar las partculas en suspensin y la clarificacin del agua.

La ultrafiltracin (UF) opera con presiones del rango de 2 a 10 bar y la porosidad de la membrana es menor que la MF. Con la porosidad menor, estas membranas son apropiadas para la desinfeccin de las aguas y la clarificacin.

En la nanofiltracion (NF) la membrana es ms densa (menor porosidad) y requiere la aplicacin de mayores presiones comprendidas entre 10 y 50 bar. Con estas membranas se logran retener sales multivalentes como el sulfato de magnesio, y se obtienen aguas desalinizadas y muy

puras.En la osmosis inversa (OI) las membranas son selectivas y de gran permeabilidad para el agua, y se fabrican especialmente para cada proceso. La presin requerida puede llegar hasta los 80 bar. La OI se utiliza principalmente para la desalinizacin de aguas marinas, salobres y

contaminadas.La smosis es el fenmeno fsico-qumico que implica la difusin de molculas de disolvente a travs de una membrana semipermeable de una zona mayor concentracin de disolvente (solvente puro) a una zona de menor concentracin de disolvente. La intensidad en el paso del disolvente est en funcin de la temperatura, concentracin y caractersticas de los iones. En el esquema (a) es la situacin inicial y (b) el sistema en equilibrio cuando molculas de disolvente pasaron a la zona

de menor concentracin.La presin osmtica ( ) es aquella que debe aplicarse a solucin para detener el flujo de disolvente a travs de

MembranasemipermeablePmembrana semipermeable. El valor de es cuando se alcanza el equilibrio.

La osmosis inversa es el proceso inverso a la osmosis y consiste en aplicar una presin mayor (P) a la presin osmtica para que partculas de solvente pasen de la zona de menor concentracin a la zona de solvente puro ( c).

(a)(b)(c)

2.2.5. ELIMINACION DE MATERIA ORGANICA BIODEGRADABLE.Las corrientes de agua arrastran materia orgnica biolgica disuelta en el agua (residuos humanos, residuos de alimentos, detergentes,

Fig. 2-11Agua con materia orgnica biodegradableMACROMOLECULAS Hidratos de carbono, protenas, grasasHIDROLISIS Bacterias hidrofilias

MATERIA ORGANICA DISUELTA Monosacridos, aminocidos, cidos grasos, glicerinaFERMENTACION ACIDA Bacterias acidognicas

PRODUCTOS DE FERMENTACION

etc) que se va a convertir en una masa biolgica solida usando bacterias adecuadas, que generalmente estn presentes en el agua. La figura 2-11 muestra esquemticamente las etapas para la depuracin biolgica del agua, que en la mayora de los casos es aerbico. Es importante que los equipos cuenten con una variedad de mecanismos para usar el oxgeno

cidos grasos voltiles, alcoholes, aldehdos, hidrogeno, amoniaco, anhdrido carbnicoFASE ACETOGENICA Bacterias acetogenicas

PRODUCTOS DEGRADACION cido actico, cido frmico, dixido de carbono, hidrogeno.

Lodos

Lodos

disuelto, promover el crecimiento de

las bacterias y la remocin de la materia orgnica. Se utilizan reactores con filtros percoladores donde se forman las pelculas

biolgicas en el estrato fijo y el aguaFASE METANOGENICA Bacterias metanognicas

PRODUCTOS DE METANACION

percola hacia la salida del reactor;

reactores con biodiscos removibles

CH4, H2, H2S, NH3, CO, H2O( v)Agua tratada

Lodos

donde se forman las pelculas

biolgicas. Las diferentes bacterias cumplen sus funciones especficas y para complementar el trabajo del

reactor se utilizan tanques desedimentacin para separar el agua tratada, los lodos y los gases producidos.

2.3. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUA.Los ms representativos son: Potabilizacin de aguas naturales Obtencin de agua con fines industriales, Tratamientos de aguas residuales.,

2.3.1. PROCESO DE POTABILIZACIN DEL AGUA.Caractersticas deseables en el producto:-Clara: que no presente turbidez (aunque se admiten hasta 5 de turbidez, como mximo). Segn

OMS y el Reglamento de la Calidad del Agua para Consumo Humano (Minsa), mximo 5 NTU.

-Incolora (se admiten hasta 15 UCV en la escala Pt/Co).

-Inodora

-Inspida (se admite presencia del CO2 libre que le da un sabor agradable y frescura).

-Con contenido de are disuelto y pequeas cantidades de sales, especialmente NaCl (

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Separata de Organicos