Caracterización y Tratamiento de Efluentes Líquidos en la Industria Química

1. Caracterización de Efluentes y Medición de Flujo

Se debe caracterizar un efluente líquido generado en una planta de filtrado. Este efluente contiene sólidos en suspensión, coloidales, disueltos y reactivos químicos orgánicos.

A) Dispositivo para Medir el Flujo en Línea:

• Se recomienda utilizar un tubo Venturi para medir el flujo en línea. Este dispositivo ofrece una menor pérdida de carga en comparación con otros medidores.
• Ubicación: El punto más factible para su instalación es en la bajada del flujo (salida de la planta de filtrado), ya que se requiere un flujo turbulento para una medición más exacta. Un flujo turbulento proporciona una mejor mezcla y homogeneidad del fluido, lo que facilita la medición precisa del caudal.
• Consideraciones: Se deben tener en cuenta aspectos técnicos como la precisión requerida y el rango de flujo, y económicos como el costo del dispositivo y su instalación.

B) Dispositivo para Colectar Muestras Representativas en Línea:

• Recomendación: La mejor recomendación para tomar una muestra representativa del flujo es hacerlo donde este se encuentre en estado turbulento.
• Justificación: Un flujo laminar propicia una dispersión de los componentes del efluente, lo que dificulta la obtención de una muestra homogénea. En cambio, un flujo turbulento asegura una mejor mezcla, permitiendo la recolección de una muestra que refleje la composición real del efluente.

C) Análisis Químico del Efluente:

• Análisis General: Se debe realizar un análisis químico general que incluya la medición de:
  • pH: Para determinar la acidez o alcalinidad del efluente.
  • Conductividad: Para estimar la concentración total de iones disueltos.
  • Alcalinidad: Para cuantificar la capacidad del efluente para neutralizar ácidos.
  • Dureza: Para determinar la concentración de iones de calcio y magnesio.
• Análisis Específico: Debido a la presencia de partículas en suspensión, coloidales y disueltas, así como reactivos químicos orgánicos, se recomienda determinar:
  • Demanda Química de Oxígeno (DQO): Para medir la cantidad de materia orgánica oxidable químicamente.
  • Carbono Orgánico Total (COT): Para cuantificar la cantidad total de carbono orgánico presente.

2. Efecto del pH en la Solubilidad de Iones

Al aumentar el pH, disminuye la solubilidad de los iones. Por ejemplo, a un pH mayor a 5, la solubilidad de muchos iones metálicos disminuye significativamente. La precipitación del carbonato de calcio (CaCO₃) aumenta con la temperatura debido a que su solubilidad disminuye a mayor temperatura.

3. Ensayos de PNN y Potencial Ácido

• Ensayo para determinar el Potencial Neto de Neutralización (PNN): Mide la capacidad de un material para consumir ácido. Esto está relacionado con la presencia de minerales carbonatados, aluminosilicatos y, en general, minerales que consumen ácido.
• Ensayo para determinar el Potencial Ácido: Mide la capacidad de un mineral para generar acidez. Está estrechamente relacionado con el contenido de azufre en forma de sulfuros.

4. Eficiencia de Separación Sólido/Líquido en la Coagulación/Floculación

La eficiencia de separación sólido/líquido se reduce cuando aumenta el caudal de alimentación a la planta de tratamiento, si el pH del efluente es 7.2. Esto se debe a que la concentración de reactivos está calculada para un cierto flujo de alimentación. Un mayor caudal requerirá una mayor concentración de reactivos para lograr la misma eficiencia de coagulación/floculación. Además, el sulfato de aluminio, un coagulante comúnmente utilizado, es dependiente de su concentración y del pH del efluente. Variaciones en estos parámetros pueden volverlo ineficiente.

5. Estabilización y Desestabilización de Sistemas Coloidales

A) Estabilización de Suspensiones Coloidales:

Las partículas coloidales en un efluente líquido adquieren carga eléctrica, lo que genera un potencial superficial. Este potencial, junto con la distribución de iones en el efluente y los efectos térmicos, lleva a la formación de la doble capa eléctrica. La doble capa eléctrica es una fuerza repulsiva que genera la repulsión entre partículas, por lo que las partículas coloidales forman suspensiones estabilizadas.

B) Mecanismo de Desestabilización con Sales Metálicas Hidrolizables:

El mecanismo de desestabilización de sistemas coloidales con sales metálicas hidrolizables es la coagulación por barrido. Las partículas coloidales quedan atrapadas en los coágulos precipitados formados a partir de sales de aluminio o hierro.

C) Mecanismo de Desestabilización con Electrolitos Inorgánicos:

El mecanismo de desestabilización de sistemas coloidales con electrolitos inorgánicos es la compresión o anulación de la doble capa eléctrica. Esto se logra mediante la adición de coagulantes electrolitos inorgánicos como Ca(OH)₂ (cal) o NaOH (soda cáustica).

6. Impacto Ambiental de Cubrir Tranques de Relaves

Cubrir un tranque de relaves con un sello o cubierta de baja permeabilidad minimiza los siguientes impactos ambientales:

• Contaminación del aire: Reduce el arrastre de material particulado por el viento.
• Contaminación de napas subterráneas: Disminuye la infiltración de aguas contaminadas con metales pesados.

Materiales utilizados para sellos o cubiertas:

• Arcilla compactada
• Concreto
• Asfalto
• HDPE (Polietileno de alta densidad)

7. Muestreo de Efluentes con Sólidos en Suspensión y Aceite en Flujo Laminar

Cuando un efluente con sólidos en suspensión y aceite fluye en régimen laminar en un canal abierto, los sólidos tienden a viajar por el fondo y el aceite por la parte superior. Para colectar una muestra representativa, se deben generar turbulencias aguas arriba del punto de muestreo. Esto asegurará una mezcla homogénea del flujo a muestrear.

8. Información del Proceso para Orientar el Análisis Químico

Para orientar el análisis químico específico de un efluente industrial, se debe identificar todos los elementos que entran en contacto con el agua (materias primas e insumos). Algunos parámetros importantes a considerar son:

• Turbidez: Relacionada con la presencia de sólidos en suspensión.
• Color: Relacionado con la presencia de sólidos disueltos.
• Alcalinidad: Relacionada con la presencia de iones carbonato, bicarbonato e hidroxilo.
• Dureza: Relacionada con la presencia de iones Ca²⁺ y Mg²⁺.
• Conductividad: Relacionada con la presencia de iones (sólidos disueltos o sales).
• DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno): Mide la cantidad de oxígeno consumido por los microorganismos en la degradación de la materia orgánica.
• DQO (Demanda Química de Oxígeno): Mide la cantidad de materia orgánica oxidable químicamente.

9. Factores para la Generación de Aguas Ácidas en Tranques de Relaves

Factores Bioquímicos:

• Presencia de la bacteria Thiobacillus ferrooxidans.

Factores Geoquímicos:

• Presencia de minerales sulfurados.
• Ambiente húmedo y seco (presencia de CO₂ y agua).
• Sales.
• Temperatura entre 28-30°C.
• Ausencia de minerales alcalinos.
• Ausencia de toxinas para las bacterias (Hg, C₂, H₂, Cu).

10. Efecto de los Coagulantes sobre las Partículas Coloidales

Los coagulantes (electrolitos inorgánicos) proporcionan iones con carga contraria a la superficie de las partículas coloidales. Si se dosifican adecuadamente, pueden disminuir o anular el espesor de la doble capa eléctrica, permitiendo que actúen las fuerzas de atracción de London (Van der Waals) y se agreguen las partículas.

11. Frecuencia de Monitoreo de Descargas de Residuos

Para monitorear la descarga de residuos por un tubo, se puede definir la frecuencia de muestreo de la siguiente manera:

• Muestreo inicial: Realizar muestreos automáticos o manuales cada hora, midiendo el parámetro de interés (por ejemplo, temperatura, conductividad, pH).
• Ajuste de frecuencia: Dependiendo del comportamiento del parámetro de interés, se puede aumentar la frecuencia de muestreo para un intervalo de tiempo determinado o disminuirla si el parámetro se mantiene estable.

12. Muestreo de Efluentes con Sólidos en Suspensión

Si el efluente contiene sólidos en suspensión, las muestras se tomarán cortando hacia el flujo. Esto se debe a que puede existir segregación de los contaminantes, y tomar la muestra en contra del flujo ayuda a capturar una muestra más representativa.

13. Medidor de Flujo para Determinar el Caudal

Para determinar el caudal, se recomienda utilizar un tubo Venturi. Este medidor ofrece:

• Alta precisión en la medida del caudal.
• Baja pérdida de carga (10-15% por hora).
• Es adecuado para medir caudal en líquidos con alta concentración de sólidos.

14. Origen y Efectos de la Carga Eléctrica en Partículas

A) Origen de la Carga Eléctrica:

La carga eléctrica de las partículas se origina por la interacción de la partícula con el agua. Existen tres mecanismos principales:

1. Grupos funcionales en la superficie: Los grupos presentes en la superficie de la partícula pueden interactuar con el agua y adquirir carga dependiendo de si donan o reciben protones.
2. Adsorción específica de iones: La partícula reacciona específicamente con otro ion, quedando cargada positiva o negativamente.
3. Imperfecciones en la estructura cristalina: Después de la conminución (reducción de tamaño), los enlaces rotos en la superficie de la partícula pueden reaccionar con el agua, adquiriendo carga.

B) Carga Negativa en Partículas de Efluentes Líquidos:

Las partículas en los efluentes líquidos generalmente presentan carga eléctrica negativa. Esto se debe a que el agua es una molécula polar con un dipolo. Los aniones, al ser más pequeños, tienden a depositarse en la superficie de la partícula, cargándola negativamente.

C) Formación de la Doble Capa Eléctrica:

La doble capa eléctrica se forma debido a la presencia de una capa compacta de iones con cierta carga en la superficie de la partícula. Además de esta capa, a medida que más iones se acercan a la partícula, se forma otra capa más difusa. Entre estas dos capas se forma la doble capa eléctrica, que produce la repulsión entre partículas.

D) Efecto de la Cal en la Doble Capa Eléctrica:

La cal (Ca(OH)₂) reduce el espesor de la doble capa eléctrica. Al disolverse en agua, el contraión (Ca²⁺) de la superficie de la partícula se adhiere a esta, disminuyendo la carga superficial y, por lo tanto, el espesor de la doble capa eléctrica.

15. Prevención de Aguas Ácidas en una Planta Concentradora

Se quiere construir una planta concentradora de minerales sulfurados para procesar un mineral de cobre que contiene pirita.

A) Alternativa para Prevenir la Formación de Aguas Ácidas:

La alternativa más factible desde el punto de vista técnico y económico para prevenir la formación de aguas ácidas es la eliminación de sulfuros reactivos antes de su ingreso al tranque de relaves. Esto se puede lograr mediante flotación, reduciendo así el potencial de generación de aguas ácidas al haber menor cantidad de sulfuros disponibles para reaccionar con agua y oxígeno.

B) Ausencia de Aguas Ácidas en Relaves en Forma de Pulpa:

La generación de aguas ácidas es un problema asociado a los residuos sólidos. Los relaves deben estar en estado sólido para que la reacción de los sulfuros reactivos con agua y oxígeno genere aguas ácidas. Cuando el relave se encuentra en forma de pulpa (mezcla de sólidos y agua), la solubilidad del oxígeno dentro de la pulpa es mucho menor que cuando las partículas están rodeadas de aire, lo que dificulta la reacción de oxidación de los sulfuros.

16. Fuerzas Repulsivas en Partículas Coloidales

Existen dos tipos principales de fuerzas repulsivas que mantienen estabilizadas las partículas coloidales en un efluente líquido:

1. Fuerzas de hidratación: Están relacionadas con la delgada película de agua que rodea a las partículas.
2. Doble capa eléctrica: Está relacionada con la presencia de iones que proporcionan una carga a las partículas. Esta carga es generalmente negativa debido a que los aniones son más pequeños que los cationes y tienden a depositarse sobre la superficie de las partículas. La carga superficial de las partículas, la distribución de iones en la solución y los efectos térmicos dan origen a la doble capa eléctrica.

17. Adsorción de un Aniónico con Carga Negativa

Para que un aniónico se adsorba en una partícula con carga negativa, se requiere un floculante catiónico. La partícula con carga negativa y la capa compacta con carga positiva atraen al floculante catiónico. Este se adsorbe mediante un puente polimérico, formando un puente electrostático. Para que la partícula quede con carga negativa, el catión debe ser desplazado, permitiendo que el aniónico se adsorba.

Se requiere preparar solución

Caudal de 1500 m³/día de RIL