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EL AGUA Y
SUS
DERIVADOS
TEMA 2
TEMA II
PARTE I (El agua)
Desinfección
Contaminantes insolubles / Separación mecánica
Contaminantes solubles / Tratamiento Físico-Quimico
Desalinización
PARTE II
Oxígeno (y gases nobles)
Hidrógeno
Peróxido de hidrógeno
ÍNDICE
2
PARTE I
EL AGUA
LA CANICA AZUL
4
EL AGUA
Obtención
Conocida desde la antigüedad
Acondicionamiento
Disponibilidad geográfica
UN MATERIAL INDUSTRIAL PARTICULAR
5
EL AGUA
Obtención
Conocida desde la antigüedad
Acondicionamiento
Disponibilidad geográfica
Usos
En todos los procesos industriales
•  Refrigeración, intercambio de calor
•  Disolvente, reactivo
•  Riego / Consumo humano
Ecología
Tratamiento de aguas residuales
UN MATERIAL INDUSTRIAL PARTICULAR
2%
98%
Distribución del agua
Dulce
Salada
68.7%
30% 0.26%
0.036%
1%
Polos y
Glaciares
Subterranea
Lagos
Embalses/
Ríos
Otros
6
EL AGUA
ESTADOS DE OXIDACIÓN
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-3 -2 -1 0 1 2
E[V]
E.O.
O2 (pH = 0)
H2
O2 (pH = 14)
O2
H2
H2O2
HO2
-
H2O
H+
7
EL AGUA
NO ES LO MISMO
8
AGUAS RESIDUALES
Principales fuentes de aguas residuales industriales
Disolvente / Scrubbing (depuración)
Reactivo (quenching)
Lavado de productos
Gases de combustión (exhaust)
Limpieza / Lluvia
Refrigeración / Intercambio de calor
Características de las aguas industriales
Mezclas complejas
•  Contenido en contaminantes
•  Parámetro equivalente
•  Efecto sobre los organismos vivos
•  Propiedad físicas
ORÍGENES Y CARACTERÍSTICAS
9
AGUAS RESIDUALES
CONTAMINANTES DE ORIGEN QUÍMICO
10
AGUAS RESIDUALES
CONTAMINANTES DE ORIGEN BIOLÓGICO
11
AGUAS RESIDUALES
CONTAMINANTES DE ORIGEN BIOLÓGICO
12
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
TIPOS DE TRATAMIENTO
13
TRATAMIENTO DE RESIDUOS
Tratamiento integrado
Conjunto de procesos (físicos, químicos, biológicos o de ingeniería)
destinados a la prevención, reducción y reciclado residuos industriales
•  Desarrollo de rutas sintéticas mejoradas
•  Uso de materias primas / combustibles más eficaces
•  Control, optimización y mejora de los procesos
•  Reciclado de los materiales
Tratamiento en la etapa final (end-of-the-pipe)
Conjunto de procesos destinados a reducir la carga contaminante de los
residuos derivadas de las operaciones industriales
TIPOS DE TRATAMIENTOS
14
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES Y SUS TÉCNICAS DE TRATAMIENTO
TSS:Totalsuspendedsolids
BOD:Biochemicaloxygendemand
COD:Chemicaloxygendemand
TOC:Totalorganiccarbon
AOX:Adsorbableorganichalides
EOX:Extractableorganichalides
MF/UF:Micro/Ultrafiltration
SWCO:SupercriticalWaterOxidation
NF/RO:Nanofiltration,ReverseOsmosis
15
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Ranking of technical complexity and cost of water treatment
processes
TÉCNICAS DE TRATAMIENTO (AGUA CONSUMO HUMANO)
16
PARTE I.2
DESINFECCIÓN
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Usos
Mayoritariamente para desinfección microbiana
Actúa como oxidante
•  Descomposición de pesticidas fácilmente oxidables
•  Formación de precipitados (ej. Óxidos de Mn(IV) y Fe(III))
•  Formación de productos fácilmente eliminables (ej. AsO4
2-)
Inconvenientes
Formación de productos halogenados secundarios (DBPs):
•  THM (Trihalometanos, ej. CHCl3)
•  HAA (Ácidos haloacéticos, ej. CCl3COOH)
Fuentes:
Cl2(g), NaClO(ac), Ca(ClO)2(s)
Cl2(ac) + H2O D Cl- + ClO- + 2H+
DESINFECCIÓN: CLORACIÓN
18
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
•  Breakpoint
•  Hipercloración/
Decloración
•  Cloración marginal/
residual
DESINFECCIÓN: CLORACIÓN
19
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
DESINFECCIÓN
20
http://www.who.int/
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Monocloroamina
NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O
Menos oxidante que el cloro
Es más persistente que el cloro
Dióxido de cloro
Se prepara antes de usarlo: NaClO2 + Cl2 → ClO2 + NaCl
Descompone para dar ClO2
- y ClO3
-
No produce efecto residual
Ozono
Es un oxidante fuerte
Reacciona con un gran abanico de pesticidas y compuestos orgánicos
No es persistente
En ausencia de derivados de bromo no forma THM
Radiación UV
Actúa como biocida entre 180 y 320 nm
No produce efecto residual
DESINFECCIÓN: ALTERNATIVAS
21
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
DESINFECCIÓN
22
Residual
No
No
Yes
Yes
No UV Bromate Nitrate
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
DESINFECCIÓN
23
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
TRATAMIENTOS Y SU RELACIÓN CON EL TIPO DE CONTAMINANTE
24
PARTE I.3
CONTAMINANTES INSOLUBLES /
SEPARACIÓN MECÁNICA
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Separación de la arena (grit separation)
Separación de la arena en suspensión
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
26
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Sedimentación / Clarificación
La sedimentación o clarificación consiste en la separación de las
partículas suspendidas por medio de la gravedad
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
27
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Cuando las partículas no se pueden separar mediante gravedad (son
demasiado pequeñas, densidad similar al agua, forman coloides) se pueden
añadir productos químicos para provocar su precipitación
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
Col. Surf. B 98 (2012) 63
28
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Cuando las partículas no se pueden separar mediante gravedad (son
demasiado pequeñas, densidad similar al agua, forman coloides) se pueden
añadir productos químicos para provocar su precipitación
Coagulación
Proceso de desestabilización de las partículas coloidales mediante la
adición de agentes externos. (Sales de Al, Fe, Ca, polímeros)
•  Adicionalmente forman precipitados capaces de atrapar físicamente las
partículas en su interior o adsorber contaminantes en su superficie
Al2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Al(OH)3(s) + 3 H2SO4
Fe2(SO4) 3 + 6 H2O → 2 Fe(OH)3(s) + 3 H2SO4
Floculación
Aglomeración de las partículas desestabilizadas en partículas de mayor
tamaño (polímeros solubles, almidón)
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
29
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Flotación
Proceso mediante el cual partículas líquidas o sólidas son separadas del
agua residual haciendo uso de burbujas de aire
•  Suele requerir la adición de agentes de flotación (sílice activada,
polímeros, coagulantes)
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
30
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Filtración
Separación de sólidos de aguas residuales haciéndolos pasar a través de
un medio poroso
Tipos de filtración
Lecho profundo (deep-bed), torta (cake)
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
31
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Filtración
Modos de operación
Gravedad, presión / vacío
Agentes de filtración
Diferentes tamaños de poro
•  Simples: Arena, piedras, fibras, alambre
•  Compuestos (multimedio):
Materiales de diferente densidad
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
Diferentes medios usados en los filtros compuestos
Medio Tam. efectivo [mm] Gravedad esp.
Antracita 0.7-1.7 1.4
Arena 0.3-0.7 2.6
Grante 0.4-0.6 3.8
Magnetita 0.3-0.5 4.9
32
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Filtración
Modos de operación
Gravedad, presión / vacío
Agentes de filtración
Diferentes tamaños de poro
•  Simples
•  Compuestos
+ Auxiliares de filtración
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
33
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Procesos de membrana
Los procesos de membrana segregan especies de un líquido en función
de sus características (físicas y químicas) por medio de diferencias de
presión y concentración
Materiales: Fibra de vidrio, cerámica, acetato de celulosa, polímeros
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
34
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Procesos de membrana
Los procesos de membrana segregan especies de un líquido en función
de sus características (físicas y químicas) por medio de diferencias de
presión y concentración
Materiales: Fibra de vidrio, cerámica, acetato de celulosa, polímeros
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
35
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Procesos de membrana
Los procesos de membrana segregan especies de un líquido en función
de sus características (físicas y químicas) por medio de diferencias de
presión y concentración
Materiales: Fibra de vidrio, cerámica, acetato de celulosa, polímeros
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
36
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
37
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Separación aceite agua
Consiste en la rotura del las emulsiones si las hubiera con ayuda de
desemulsificantes y la consiguiente separación del aceite
CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
38
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES Y SUS TÉCNICAS DE TRATAMIENTO
39
TSS:Totalsuspendedsolids
BOD:Biochemicaloxygendemand
COD:Chemicaloxygendemand
TOC:Totalorganiccarbon
AOX:Adsorbableorganichalides
EOX:Extractableorganichalides
MF/UF:Micro/Ultrafiltration
SWCO:SupercriticalWaterOxidation
NF/RO:Nanofiltration,ReverseOsmosis
PARTE I.4
CONTAMINANTES SOLUBLES /
TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Los contaminantes solubles se pueden dividir en:
•  Sales inorgánicas y metales pesados
•  Compuestos orgánicos difíciles de biodegradar
•  Compuestos orgánicos o inorgánicos que interfieren en los procesos
de biodegradación
Precipitación
Proceso químico mediante el cual se forman partículas sólidas de alguno
de los componentes solubles en las aguas a tratar
Agentes de precipitación típicos:
NaOH, Ca(OH)2, Na2S, Na2CO3, CaO, CaCl2, Al2SO4, FeCl2, FeS, CaS
Metales pesados: Hidróxidos, sulfuros, carbonatos
Fosfatos, Sulfatos y Fluoruros: (Fe/Al)PO4, Ca5(PO4)3(OH), CaSO4·H2O,
CaF2
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
41
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
Precipitación
42
Carbonatos funcionan a pH más altos y permiten una recuperación más fácil.
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
Precipitación
Sulfuros Hidróxidos
43
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Uno de los mayores problemas es la dureza del agua
La dureza mide la concentración total de todos los metales no alcalinos
contenidos en el agua (especialmente Mg y Ca)
Produce la formación de precipitados insolubles
Dos tipos de dureza
•  Temporal /Carbonato
M(HCO3)2 → MCO3(s) + CO2(g) + H2O
M(HCO3)2 + H2SO4 → MSO4 + 2 CO2(g) + 2 H2O
•  Permanente / Otros (Cl, NO3
-, SO4
2-)
Requiere algún tipo de procesado
Cal-Carbonato
Resinas de Intercambio
PRECIPITACIÓN: ABLANDAMIENTO DLE AGUA
44
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Proceso Cal-Carbonato (lime-soda)
Utilizado por primera vez en 1981 (Clark) y mejorado luego por Porter
•  Temporal
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3(s) + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → MgCO3(ac) + CaCO3(s) + 2H2O
MgCO3 + Ca(OH)2  → Mg(OH)2(s) + CaCO3(s)
•  Permanente
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2(s) + CaCl2
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3(s) + 2NaCl
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3(s) + Na2SO4
MgSO4 + Na2CO3 + Ca(OH)2  → Mg(OH)2(s) + CaCO3(s) + Na2SO4
Se puede llevar a cabo
•  En frio
•  En caliente
PRECIPITACIÓN: ABLANDAMIENTO DLE AGUA
45
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
46
PRECIPITACIÓN: ABLANDAMIENTO DEL AGUA
pH=11
CaCO3
Mg(OH) 2
Ca(OH)2 + Mg2+ → Mg(OH)2(s) + Ca2+
pH=10.3
CaCO3
Ca2+ + Na2CO3 → CaCO3(s) + Na2SO4(ac)
CO3
2-(ac) + CO2(g) + H2O → 2 HCO3
-(ac)
pH=8.5 – 9.5Ca(OH)2
Na2CO3
Ca(OH)2(ac) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Intercambio iónico
Consiste en la eliminación de especies iónicas mediante su sustitución
por iones más aceptables mediante el uso de resinas de intercambio
Descrito por primera vez en 1852
En 1935 por Adams and Holmes describen resinas puramente sintéticas
(resinas de intercambio)
Polímeros orgánicos sólidos generalmente basados en poli estireno con
grupos funcionales capaces de intercambiar iones (-SO3
-, -N(CH3)3
+)
2 R-SO3
-Na+ + M2+ → 2 (R-SO3
-)M2+ + Na+
2 R-SO3
-H+ + M(HCO3)2 → 2 (R-SO3
-)M2+ + 2H+ / (H2O + CO2)
R-N(CH3)3
+OH- + A- → R-N(CH3)3
+A- + OH-
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
47
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Cristalización
Forma de precipitación en la que el sólido no se forman en el seno de la
disolución sino sobre centros de nucleación (arena, minerales…)
dispersos en el medio
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
48
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Reacción química
Durante la oxidación los agentes contaminantes se convierten en
compuestos menos contaminantes, más fácilmente separables o más
fácilmente biodegradables
Oxidación:
CaClO, ClO2, O3, hv
Materia orgánica (aceites, grasas, pesticidas…), Cianuros, S2-, SO3
2-,
NO2
-, Complejos metálicos
Desinfección
Hidrólisis:
H2O, ácido / base, temperatura, catalizador
RX (X = CN, PO3H2, S2-), esteres, amidas, carbamatos
Reducción:
SO2, NaHS, FeSO4
Metales (Cr(VI)), oxidantes (H2O2, HClO))
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
49
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
50
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Adsorción
Consiste en la transferencia de sustancias solubles del agua residual a la
superficie de un solido altamente poroso
Agentes de adsorción:
Carbón activo (granular o en polvo)
Otros: Al2O3, carbón de lignito, zeolitas
Aplicación:
Eliminación de materia orgánica, compuestos nitrogenados,
descomposición de cloro, metales pesados.
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
51
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Adsorción
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
52
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Despojamiento (Stripping)
Durante el stripping el agua residual se pone en contacto con un flujo de
gas para transferir los contaminantes volátiles desde la la fase acuosa a
la gaseosa
Gases de stripping:
Aire, vapor de agua
Aplicaciones:
Orgánicos:
Hidrocar. volátiles,
halogenados,
disolventes…
Inorgánicos:
NH3, H2S …
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
53
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Incineración
Es el proceso de oxidación en presencia de aire de los contaminantes
orgánicos e inorgánicos del agua resultando en la evaporación del agua y
la formación de gases de combustión
Productos:
VOC, CO2, HCl, SOx, NOx, PO4
3-, metales pesados, polvo …
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
54
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES Y SUS TÉCNICAS DE TRATAMIENTO
TSS:Totalsuspendedsolids
BOD:Biochemicaloxygendemand
COD:Chemicaloxydengdemand
TOC:Totalorganiccarbon
AOX:Adsorbableorganichalides
EOX:Extractableorganichalides
55
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Acondicionamiento final
Ajuste del pH
Cloración sanitaria
CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
56
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
DESALINIZACIÓN
57
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Agua de mar 3.5% de sales en peso
Las resinas de intercambio no son viables económicamente
La osmosis inversa consume menos energía, pero se lleva a cabo en platas
de menor tamaño
Destilación
Consiste en la separación de los contaminantes del agua mediante su
transferencia a la fase vapor. Se lleva a cabo en varias etapas
Gran consumo de energía
Requiere pretratamiento previos
•  H2SO4
•  Estabilizantes: Polifosfatos, Ácido polimaléico
Consideraciones ambientales (Temperatura, salinidad, aditivos…)
TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN
58
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Destilación flash multietapa (MSF)
Se lleva a cabo en varias etapas en destiladores flash (a vacío)
90-120º y unas 18-24 etapas
TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN
œT
œP
59
›[NaCl]
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Destilación multiefecto (MED)
Se lleva a cabo en varias etapas en destiladores flash (a vacío)
60-80º y unas etapas
TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN
œT
œP
60
›[NaCl]
ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN
61
PARTE II
OXÍGENO, HIDRÓGENO Y PERÓXIDO DE
HIDRÓGENO
COMPOSICIÓN DEL AIRE
63
COMPOSICIÓN DEL AIRE
64
Mecano – Aire
Aire, soñé por un momento que era aire
Aire. Oxígeno. nitrógeno y argón
OXÍGENO
65
UN GAS NECESARIO PARA LA VIDA
OXÍGENO
66
UN GAS NECESARIO PARA LA VIDA
OXÍGENO
Distribución
1º en la corteza terrestre y seres vivos
3er elemento en el universo
A alta presión o en forma de gas criogénico
Propiedades
Gas incoloro, inodoro e insípido
Muy oxidante
Aplicaciones
Industriales:
•  Comburente
•  Reactivo
Médicas
67
UN GAS NECESARIO PARA LA VIDA
OXÍGENO
Históricamente
Priestley (1771): Experimentos con menta
Scheele (1772): 2 HgO + Q → 2 Hg(g) + O2(g)
Industrialmente
Procesos de adsorción (VSA/PSA, Vacuum / Pressure Swing Adsortion)
Destilación fraccionada del aire
Von Linde y Hampson (1895): Criogenia
O2: Hidrólisis del agua N2: Membranas
68
PRODUCCIÓN
Gas
Temperatura de
condensación [ºC]
Nitrógeno -196
Argón -186
Oxígeno -183
Vapor de Agua 100
OXÍGENO
PSA / VSA
69
PRODUCCIÓN
http://www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/oxygen.html
OXÍGENO
Destilación fraccionada
70
PRODUCCIÓN
bp (O2) > bp (N2)
OXÍGENO
Destilación fraccionada
71
PRODUCCIÓN
Water
Separation
Water Molecular
Sieve
Compressor
Cooler
Compressor
Expander
Cooler
fractionat.
Low-pressure
fractionating
column
column
High-pressure
OXYGEN (99.5%)
Subcooler
Pretreating Separating
Crude
ARGON
(94%)
Argon column
AIR (O2, Ar, N2)
O2+ Ar
Crude
N2
NITROGEN (99.995%)
bp (O2) > bp (Ar) > bp (N2)
-183 -186 -196 [C]
›P,œT
Main heat exchangers
http://www.madehow.com/Volume-4/Oxygen.html
OXÍGENO
Destilación fraccionada
72
PRODUCCIÓN
Gas bp [C]
He -269
H2 -253
Ne -246
N2 -196
Ar -186
O2 -183
Kr -152
Xe -107
Más abajo en la tabla
significa menos tendencia a
condensar
[He]
[Ar]
Columna de
destilación
G. NOBLES
Destilación fraccionada
73
PRODUCCIÓN
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
N2
GASES NOBLES
Distribución
Ne, Ar, Kr, Xe: En el aire (<1%)
He: En el gas natural (2%-7%)
Rn: Decaimiento de compuestos radioactivos
Propiedades
Inertes
Ligeros-Pesados
Aplicaciones
Industriales:
•  Gas inerte
•  Iluminación
Médicas
74
HIDRÓGENO
UN GAS ALTAMENTE INFLAMABLE
75
HIDRÓGENO
UN GAS ALTAMENTE INFLAMABLE
76
HIDRÓGENO
Distribución
Elemento más ligero y abundante del universo
Presente en el aire (0.00005%), H2O, hidratos, biomasa
Se almacena en forma gaseosa o líquida
Propiedades
Gas altamente inflamable
H2 + ½ O2 → H2O ΔH = 121 KJ/g
Reductor
77
HIDRÓGENO
A partir de hidrocarburos
Económico
•  Reformado
•  Gasificado (Combustión)
A partir de carbón
Tecnología básica
Electrólisis
Poco efectivo
Agua es renovable
Alta pureza
Otros
PRODUCCIÓN
HC Ligeros
77%
Carbón 18%
Electrólisis
4%
Otros 1%
Producción mundial de H2
78
HIDRÓGENO
A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES (Syngas)
Reformado catalítico de vapor de hidrocarburos ligeros
(steam reforming)
2 CnHm + n H2O D (n+m/2) CO + n H2 (cat.) ΔH > 0, # P, # T
Gasificado de hidrocarburos pesados
2 CnHm + n O2 D 2n CO + m H2 (cat.) ΔH < 0, # P, # T
Gasificado de carbón
3 C + O2 + H2O D 3 CO + H2 ΔH < 0
Conversión agua-gas (shift conversion)
CO + H2O D CO2 + H2  (cat.) ΔH < 0
PRODUCCIÓN
79
HIDRÓGENO
A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES (Syngas)
El gas de síntesis está compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido
de carbono, y muy a menudo, algo de dióxido de carbono
PRODUCCIÓN
80
Wikipedia ES
HIDRÓGENO
ELECTRÓLISIS
Cátodo: Fe Ánodo: Fe cubierto de Ni
Membrana: Asbestos
Requiere sobrepotenciales (E>2V)
OTROS
Descomposición catalítica de amoniaco
Descomposición térmica del agua
Producto secundario
PRODUCCIÓN
4OH- D 2H2O + O2 + 4e-
4H2O + 4e- D 2H2 + 4OH-
2H2O D 2H2 + O2 E = 1.23V ΔH = 569 kJ/mol
81
HIDRÓGENO
82
PRODUCCIÓN: REFORMADO DE VAPOR
Alternative:
Gas adsortion
http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/lvic-aaf.html
HIDRÓGENO
Desulfuración
R-SH + H2 → H2S + RH (cat.)
H2S + ZnO → ZnS + H2O
Reformado primario (steam reforming)
CH4 + H2O D CO + 3 H2 (cat.) ΔH = 205 kJmol
Reformado secundario (steam reforming + gas reforming)
CH4 + H2O D CO + 3 H2(cat.)
2 H2 + O2 D 2 H2O ΔH = -482 kJmol
2 CH4 + O2 D 2 CO + 2 H2
Reacción agua gas (shift conversion)
CO + H2O D CO2 + H2 (cat.) ΔH = - 41 kJ/mol
Eliminación del CO/CO2 (TEMA 7)
Química
Física
83
PRODUCCIÓN: REFORMADO DE VAPOR
HIDRÓGENO
Eliminación física del CO/CO2
84
PRODUCCIÓN: RECTIFICADO DE VAPOR
http://www.linde-engineering.com/
HIDRÓGENO
Eliminación química del CO/CO2
Scrubbing:
MEA: 2 RNH2 + CO2 → RHNCO- + RNH3
+
K2CO2: K2CO3 + CO2 → KHCO3
Metanación:
CO + 3 H2 → CH4 + H2O (cat.) ΔH = -206 kJ/mol
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (cat.) ΔH = -165 kJ/mol
PRODUCCIÓN: RECTIFICADO DE VAPOR
http://www.linde-engineering.com/
T1 > T2
85
Alternative:
Gas adsortion
(Claus Plant, TEMA 5 )
HIDRÓGENO
86
PRODUCCIÓN: GASIFICADO
http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/lvic-aaf.html
HIDRÓGENO
Energéticas
H2 + ½ O2 → H2O ΔH = 121 KJ/g
•  Uso in-situ
•  Combustible de alto rendimiento
•  Soldadura y corte
Químicas
Reductor
•  C-C (Aceites, C=C)
•  -O-H (-COOH, CHO)
•  Manufactura del poliuretano
•  Semiconductores (Si)
•  Metales
APLICACIONES
Material Producto
Phenol Ciclohexanol
Nitrógeno Amoniaco
Naftaleno Tetralina
Oleina Stearina
Diisobutileno Isooctano
Monoxido de Carbono Metanol
Aplicaciones (USA, 1996)
Petroquímica
Amoniaco
Metanol
Otros
87
PERÓXO DE HIDRÓGENO
Distribución
Es el peróxido más usado
Disoluciones acuosas (35-70% w/w)
Propiedades
Oxidante
Descompone
Producción
Históricamente:
•  Peróxido de bario + H2SO4
•  Electrolisis del H2SO4
Actualmente:
•  Proceso antraquínona (95% del total)
88
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
Via húmeda
BaO2 + H2SO4 → BaSO4 + H2O2
BaO2 + 2 HCl → BaCl2 + H2O2
BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 + 2 HCl
Electrólisis
H2SO4 → H2S2O8 + 2 H+ + 2 e- (alternativa (NH4)HSO4)
H2S2O8 + 2 H2O → 2 H2SO4 + H2O2
Proceso antraquinona (Riedel–Pfleiderer process, 1953)
PRODUCCIÓN
89
R R
OH
OH
O
O
O2
Pd H2
H2O2
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
Proceso antraquínona
Proceso más usado desde los 60
Oxidación-Reducción
Reacciones secundarias
Estabilizantes
PRODUCCIÓN
R R
OH
OH
O
O
O2
Pd H2
H2O2
90
2-alkil-antrahidroquinone 2-alkyl-antraquinone
2-alkil-5,6,7,8-terahidro-antrahidroquinone
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
91
PRODUCCIÓN
Antraquinone + Solvent
Hydrogen
Air or Oxygen Rich Air
Hydrogenator
Vacuum
Column I
Vacuum
Column II
Oxidizer
Liquid/Liquid
Extractor
Catalyst Filter
Activated Carbon
Absorber
Solvent
Purification
Solvent Recycle
Water Recycle
Water Recycle
to Extractor
Atmosphere or
Further Treatment
Make-up Water Feed
72% Hydrogen Peroxide Product
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
APLICACIONES
Perborato y
Percarbonato
39%
Blanqueate de
papel
31%
Blanqueante textil
9%
Producción
Química
19%
Otros
2%
Aplicaciones (UE, 1990)
92
Perborato de sodio
Percarbonato de sodio
ALGUNOS TEMAS
Recuperación de agua / aire en ambientes cerrados (H2O, O2)
Tecnología PSA/VSA
Electrolisis del agua (catalizadores, luz)
Recuperación de catalizadores
Tratamiento de lodos
Ecología de la desalinización
Ejemplos de limpieza de aguas industriales
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Agua y derivados: tratamientos y contaminantes

  • 2. TEMA II PARTE I (El agua) Desinfección Contaminantes insolubles / Separación mecánica Contaminantes solubles / Tratamiento Físico-Quimico Desalinización PARTE II Oxígeno (y gases nobles) Hidrógeno Peróxido de hidrógeno ÍNDICE 2
  • 5. EL AGUA Obtención Conocida desde la antigüedad Acondicionamiento Disponibilidad geográfica UN MATERIAL INDUSTRIAL PARTICULAR 5
  • 6. EL AGUA Obtención Conocida desde la antigüedad Acondicionamiento Disponibilidad geográfica Usos En todos los procesos industriales •  Refrigeración, intercambio de calor •  Disolvente, reactivo •  Riego / Consumo humano Ecología Tratamiento de aguas residuales UN MATERIAL INDUSTRIAL PARTICULAR 2% 98% Distribución del agua Dulce Salada 68.7% 30% 0.26% 0.036% 1% Polos y Glaciares Subterranea Lagos Embalses/ Ríos Otros 6
  • 7. EL AGUA ESTADOS DE OXIDACIÓN -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -3 -2 -1 0 1 2 E[V] E.O. O2 (pH = 0) H2 O2 (pH = 14) O2 H2 H2O2 HO2 - H2O H+ 7
  • 8. EL AGUA NO ES LO MISMO 8
  • 9. AGUAS RESIDUALES Principales fuentes de aguas residuales industriales Disolvente / Scrubbing (depuración) Reactivo (quenching) Lavado de productos Gases de combustión (exhaust) Limpieza / Lluvia Refrigeración / Intercambio de calor Características de las aguas industriales Mezclas complejas •  Contenido en contaminantes •  Parámetro equivalente •  Efecto sobre los organismos vivos •  Propiedad físicas ORÍGENES Y CARACTERÍSTICAS 9
  • 10. AGUAS RESIDUALES CONTAMINANTES DE ORIGEN QUÍMICO 10
  • 11. AGUAS RESIDUALES CONTAMINANTES DE ORIGEN BIOLÓGICO 11
  • 12. AGUAS RESIDUALES CONTAMINANTES DE ORIGEN BIOLÓGICO 12
  • 13. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA TIPOS DE TRATAMIENTO 13
  • 14. TRATAMIENTO DE RESIDUOS Tratamiento integrado Conjunto de procesos (físicos, químicos, biológicos o de ingeniería) destinados a la prevención, reducción y reciclado residuos industriales •  Desarrollo de rutas sintéticas mejoradas •  Uso de materias primas / combustibles más eficaces •  Control, optimización y mejora de los procesos •  Reciclado de los materiales Tratamiento en la etapa final (end-of-the-pipe) Conjunto de procesos destinados a reducir la carga contaminante de los residuos derivadas de las operaciones industriales TIPOS DE TRATAMIENTOS 14
  • 15. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES Y SUS TÉCNICAS DE TRATAMIENTO TSS:Totalsuspendedsolids BOD:Biochemicaloxygendemand COD:Chemicaloxygendemand TOC:Totalorganiccarbon AOX:Adsorbableorganichalides EOX:Extractableorganichalides MF/UF:Micro/Ultrafiltration SWCO:SupercriticalWaterOxidation NF/RO:Nanofiltration,ReverseOsmosis 15
  • 16. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Ranking of technical complexity and cost of water treatment processes TÉCNICAS DE TRATAMIENTO (AGUA CONSUMO HUMANO) 16
  • 18. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Usos Mayoritariamente para desinfección microbiana Actúa como oxidante •  Descomposición de pesticidas fácilmente oxidables •  Formación de precipitados (ej. Óxidos de Mn(IV) y Fe(III)) •  Formación de productos fácilmente eliminables (ej. AsO4 2-) Inconvenientes Formación de productos halogenados secundarios (DBPs): •  THM (Trihalometanos, ej. CHCl3) •  HAA (Ácidos haloacéticos, ej. CCl3COOH) Fuentes: Cl2(g), NaClO(ac), Ca(ClO)2(s) Cl2(ac) + H2O D Cl- + ClO- + 2H+ DESINFECCIÓN: CLORACIÓN 18
  • 19. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA •  Breakpoint •  Hipercloración/ Decloración •  Cloración marginal/ residual DESINFECCIÓN: CLORACIÓN 19
  • 21. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Monocloroamina NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O Menos oxidante que el cloro Es más persistente que el cloro Dióxido de cloro Se prepara antes de usarlo: NaClO2 + Cl2 → ClO2 + NaCl Descompone para dar ClO2 - y ClO3 - No produce efecto residual Ozono Es un oxidante fuerte Reacciona con un gran abanico de pesticidas y compuestos orgánicos No es persistente En ausencia de derivados de bromo no forma THM Radiación UV Actúa como biocida entre 180 y 320 nm No produce efecto residual DESINFECCIÓN: ALTERNATIVAS 21
  • 24. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA TRATAMIENTOS Y SU RELACIÓN CON EL TIPO DE CONTAMINANTE 24
  • 25. PARTE I.3 CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA
  • 26. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Separación de la arena (grit separation) Separación de la arena en suspensión CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 26
  • 27. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Sedimentación / Clarificación La sedimentación o clarificación consiste en la separación de las partículas suspendidas por medio de la gravedad CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 27
  • 28. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Cuando las partículas no se pueden separar mediante gravedad (son demasiado pequeñas, densidad similar al agua, forman coloides) se pueden añadir productos químicos para provocar su precipitación CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA Col. Surf. B 98 (2012) 63 28
  • 29. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Cuando las partículas no se pueden separar mediante gravedad (son demasiado pequeñas, densidad similar al agua, forman coloides) se pueden añadir productos químicos para provocar su precipitación Coagulación Proceso de desestabilización de las partículas coloidales mediante la adición de agentes externos. (Sales de Al, Fe, Ca, polímeros) •  Adicionalmente forman precipitados capaces de atrapar físicamente las partículas en su interior o adsorber contaminantes en su superficie Al2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Al(OH)3(s) + 3 H2SO4 Fe2(SO4) 3 + 6 H2O → 2 Fe(OH)3(s) + 3 H2SO4 Floculación Aglomeración de las partículas desestabilizadas en partículas de mayor tamaño (polímeros solubles, almidón) CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 29
  • 30. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Flotación Proceso mediante el cual partículas líquidas o sólidas son separadas del agua residual haciendo uso de burbujas de aire •  Suele requerir la adición de agentes de flotación (sílice activada, polímeros, coagulantes) CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 30
  • 31. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Filtración Separación de sólidos de aguas residuales haciéndolos pasar a través de un medio poroso Tipos de filtración Lecho profundo (deep-bed), torta (cake) CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 31
  • 32. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Filtración Modos de operación Gravedad, presión / vacío Agentes de filtración Diferentes tamaños de poro •  Simples: Arena, piedras, fibras, alambre •  Compuestos (multimedio): Materiales de diferente densidad CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA Diferentes medios usados en los filtros compuestos Medio Tam. efectivo [mm] Gravedad esp. Antracita 0.7-1.7 1.4 Arena 0.3-0.7 2.6 Grante 0.4-0.6 3.8 Magnetita 0.3-0.5 4.9 32
  • 33. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Filtración Modos de operación Gravedad, presión / vacío Agentes de filtración Diferentes tamaños de poro •  Simples •  Compuestos + Auxiliares de filtración CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 33
  • 34. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Procesos de membrana Los procesos de membrana segregan especies de un líquido en función de sus características (físicas y químicas) por medio de diferencias de presión y concentración Materiales: Fibra de vidrio, cerámica, acetato de celulosa, polímeros CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 34
  • 35. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Procesos de membrana Los procesos de membrana segregan especies de un líquido en función de sus características (físicas y químicas) por medio de diferencias de presión y concentración Materiales: Fibra de vidrio, cerámica, acetato de celulosa, polímeros CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 35
  • 36. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Procesos de membrana Los procesos de membrana segregan especies de un líquido en función de sus características (físicas y químicas) por medio de diferencias de presión y concentración Materiales: Fibra de vidrio, cerámica, acetato de celulosa, polímeros CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 36
  • 37. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 37
  • 38. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Separación aceite agua Consiste en la rotura del las emulsiones si las hubiera con ayuda de desemulsificantes y la consiguiente separación del aceite CONTAMINANTES INSOLUBLES / SEPARACIÓN MECÁNICA 38
  • 39. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES Y SUS TÉCNICAS DE TRATAMIENTO 39 TSS:Totalsuspendedsolids BOD:Biochemicaloxygendemand COD:Chemicaloxygendemand TOC:Totalorganiccarbon AOX:Adsorbableorganichalides EOX:Extractableorganichalides MF/UF:Micro/Ultrafiltration SWCO:SupercriticalWaterOxidation NF/RO:Nanofiltration,ReverseOsmosis
  • 40. PARTE I.4 CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO
  • 41. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Los contaminantes solubles se pueden dividir en: •  Sales inorgánicas y metales pesados •  Compuestos orgánicos difíciles de biodegradar •  Compuestos orgánicos o inorgánicos que interfieren en los procesos de biodegradación Precipitación Proceso químico mediante el cual se forman partículas sólidas de alguno de los componentes solubles en las aguas a tratar Agentes de precipitación típicos: NaOH, Ca(OH)2, Na2S, Na2CO3, CaO, CaCl2, Al2SO4, FeCl2, FeS, CaS Metales pesados: Hidróxidos, sulfuros, carbonatos Fosfatos, Sulfatos y Fluoruros: (Fe/Al)PO4, Ca5(PO4)3(OH), CaSO4·H2O, CaF2 CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 41
  • 42. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO Precipitación 42 Carbonatos funcionan a pH más altos y permiten una recuperación más fácil.
  • 43. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO Precipitación Sulfuros Hidróxidos 43
  • 44. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Uno de los mayores problemas es la dureza del agua La dureza mide la concentración total de todos los metales no alcalinos contenidos en el agua (especialmente Mg y Ca) Produce la formación de precipitados insolubles Dos tipos de dureza •  Temporal /Carbonato M(HCO3)2 → MCO3(s) + CO2(g) + H2O M(HCO3)2 + H2SO4 → MSO4 + 2 CO2(g) + 2 H2O •  Permanente / Otros (Cl, NO3 -, SO4 2-) Requiere algún tipo de procesado Cal-Carbonato Resinas de Intercambio PRECIPITACIÓN: ABLANDAMIENTO DLE AGUA 44
  • 45. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Proceso Cal-Carbonato (lime-soda) Utilizado por primera vez en 1981 (Clark) y mejorado luego por Porter •  Temporal Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3(s) + 2 H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → MgCO3(ac) + CaCO3(s) + 2H2O MgCO3 + Ca(OH)2  → Mg(OH)2(s) + CaCO3(s) •  Permanente MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2(s) + CaCl2 CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3(s) + 2NaCl CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3(s) + Na2SO4 MgSO4 + Na2CO3 + Ca(OH)2  → Mg(OH)2(s) + CaCO3(s) + Na2SO4 Se puede llevar a cabo •  En frio •  En caliente PRECIPITACIÓN: ABLANDAMIENTO DLE AGUA 45
  • 46. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA 46 PRECIPITACIÓN: ABLANDAMIENTO DEL AGUA pH=11 CaCO3 Mg(OH) 2 Ca(OH)2 + Mg2+ → Mg(OH)2(s) + Ca2+ pH=10.3 CaCO3 Ca2+ + Na2CO3 → CaCO3(s) + Na2SO4(ac) CO3 2-(ac) + CO2(g) + H2O → 2 HCO3 -(ac) pH=8.5 – 9.5Ca(OH)2 Na2CO3 Ca(OH)2(ac) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O
  • 47. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Intercambio iónico Consiste en la eliminación de especies iónicas mediante su sustitución por iones más aceptables mediante el uso de resinas de intercambio Descrito por primera vez en 1852 En 1935 por Adams and Holmes describen resinas puramente sintéticas (resinas de intercambio) Polímeros orgánicos sólidos generalmente basados en poli estireno con grupos funcionales capaces de intercambiar iones (-SO3 -, -N(CH3)3 +) 2 R-SO3 -Na+ + M2+ → 2 (R-SO3 -)M2+ + Na+ 2 R-SO3 -H+ + M(HCO3)2 → 2 (R-SO3 -)M2+ + 2H+ / (H2O + CO2) R-N(CH3)3 +OH- + A- → R-N(CH3)3 +A- + OH- CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 47
  • 48. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Cristalización Forma de precipitación en la que el sólido no se forman en el seno de la disolución sino sobre centros de nucleación (arena, minerales…) dispersos en el medio CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 48
  • 49. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Reacción química Durante la oxidación los agentes contaminantes se convierten en compuestos menos contaminantes, más fácilmente separables o más fácilmente biodegradables Oxidación: CaClO, ClO2, O3, hv Materia orgánica (aceites, grasas, pesticidas…), Cianuros, S2-, SO3 2-, NO2 -, Complejos metálicos Desinfección Hidrólisis: H2O, ácido / base, temperatura, catalizador RX (X = CN, PO3H2, S2-), esteres, amidas, carbamatos Reducción: SO2, NaHS, FeSO4 Metales (Cr(VI)), oxidantes (H2O2, HClO)) CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 49
  • 50. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 50
  • 51. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Adsorción Consiste en la transferencia de sustancias solubles del agua residual a la superficie de un solido altamente poroso Agentes de adsorción: Carbón activo (granular o en polvo) Otros: Al2O3, carbón de lignito, zeolitas Aplicación: Eliminación de materia orgánica, compuestos nitrogenados, descomposición de cloro, metales pesados. CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 51
  • 52. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Adsorción CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 52
  • 53. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Despojamiento (Stripping) Durante el stripping el agua residual se pone en contacto con un flujo de gas para transferir los contaminantes volátiles desde la la fase acuosa a la gaseosa Gases de stripping: Aire, vapor de agua Aplicaciones: Orgánicos: Hidrocar. volátiles, halogenados, disolventes… Inorgánicos: NH3, H2S … CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 53
  • 54. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Incineración Es el proceso de oxidación en presencia de aire de los contaminantes orgánicos e inorgánicos del agua resultando en la evaporación del agua y la formación de gases de combustión Productos: VOC, CO2, HCl, SOx, NOx, PO4 3-, metales pesados, polvo … CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 54
  • 55. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES Y SUS TÉCNICAS DE TRATAMIENTO TSS:Totalsuspendedsolids BOD:Biochemicaloxygendemand COD:Chemicaloxydengdemand TOC:Totalorganiccarbon AOX:Adsorbableorganichalides EOX:Extractableorganichalides 55
  • 56. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Acondicionamiento final Ajuste del pH Cloración sanitaria CONTAMINANTES SOLUBLES / TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO 56
  • 58. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Agua de mar 3.5% de sales en peso Las resinas de intercambio no son viables económicamente La osmosis inversa consume menos energía, pero se lleva a cabo en platas de menor tamaño Destilación Consiste en la separación de los contaminantes del agua mediante su transferencia a la fase vapor. Se lleva a cabo en varias etapas Gran consumo de energía Requiere pretratamiento previos •  H2SO4 •  Estabilizantes: Polifosfatos, Ácido polimaléico Consideraciones ambientales (Temperatura, salinidad, aditivos…) TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN 58
  • 59. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Destilación flash multietapa (MSF) Se lleva a cabo en varias etapas en destiladores flash (a vacío) 90-120º y unas 18-24 etapas TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN œT œP 59 ›[NaCl]
  • 60. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA Destilación multiefecto (MED) Se lleva a cabo en varias etapas en destiladores flash (a vacío) 60-80º y unas etapas TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN œT œP 60 ›[NaCl]
  • 61. ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA TRATAMIENTO FÍSICOQUÍMICO: DESALINIZACIÓN 61
  • 62. PARTE II OXÍGENO, HIDRÓGENO Y PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
  • 64. COMPOSICIÓN DEL AIRE 64 Mecano – Aire Aire, soñé por un momento que era aire Aire. Oxígeno. nitrógeno y argón
  • 67. OXÍGENO Distribución 1º en la corteza terrestre y seres vivos 3er elemento en el universo A alta presión o en forma de gas criogénico Propiedades Gas incoloro, inodoro e insípido Muy oxidante Aplicaciones Industriales: •  Comburente •  Reactivo Médicas 67 UN GAS NECESARIO PARA LA VIDA
  • 68. OXÍGENO Históricamente Priestley (1771): Experimentos con menta Scheele (1772): 2 HgO + Q → 2 Hg(g) + O2(g) Industrialmente Procesos de adsorción (VSA/PSA, Vacuum / Pressure Swing Adsortion) Destilación fraccionada del aire Von Linde y Hampson (1895): Criogenia O2: Hidrólisis del agua N2: Membranas 68 PRODUCCIÓN Gas Temperatura de condensación [ºC] Nitrógeno -196 Argón -186 Oxígeno -183 Vapor de Agua 100
  • 71. OXÍGENO Destilación fraccionada 71 PRODUCCIÓN Water Separation Water Molecular Sieve Compressor Cooler Compressor Expander Cooler fractionat. Low-pressure fractionating column column High-pressure OXYGEN (99.5%) Subcooler Pretreating Separating Crude ARGON (94%) Argon column AIR (O2, Ar, N2) O2+ Ar Crude N2 NITROGEN (99.995%) bp (O2) > bp (Ar) > bp (N2) -183 -186 -196 [C] ›P,œT Main heat exchangers http://www.madehow.com/Volume-4/Oxygen.html
  • 72. OXÍGENO Destilación fraccionada 72 PRODUCCIÓN Gas bp [C] He -269 H2 -253 Ne -246 N2 -196 Ar -186 O2 -183 Kr -152 Xe -107 Más abajo en la tabla significa menos tendencia a condensar [He] [Ar] Columna de destilación
  • 73. G. NOBLES Destilación fraccionada 73 PRODUCCIÓN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry N2
  • 74. GASES NOBLES Distribución Ne, Ar, Kr, Xe: En el aire (<1%) He: En el gas natural (2%-7%) Rn: Decaimiento de compuestos radioactivos Propiedades Inertes Ligeros-Pesados Aplicaciones Industriales: •  Gas inerte •  Iluminación Médicas 74
  • 77. HIDRÓGENO Distribución Elemento más ligero y abundante del universo Presente en el aire (0.00005%), H2O, hidratos, biomasa Se almacena en forma gaseosa o líquida Propiedades Gas altamente inflamable H2 + ½ O2 → H2O ΔH = 121 KJ/g Reductor 77
  • 78. HIDRÓGENO A partir de hidrocarburos Económico •  Reformado •  Gasificado (Combustión) A partir de carbón Tecnología básica Electrólisis Poco efectivo Agua es renovable Alta pureza Otros PRODUCCIÓN HC Ligeros 77% Carbón 18% Electrólisis 4% Otros 1% Producción mundial de H2 78
  • 79. HIDRÓGENO A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES (Syngas) Reformado catalítico de vapor de hidrocarburos ligeros (steam reforming) 2 CnHm + n H2O D (n+m/2) CO + n H2 (cat.) ΔH > 0, # P, # T Gasificado de hidrocarburos pesados 2 CnHm + n O2 D 2n CO + m H2 (cat.) ΔH < 0, # P, # T Gasificado de carbón 3 C + O2 + H2O D 3 CO + H2 ΔH < 0 Conversión agua-gas (shift conversion) CO + H2O D CO2 + H2  (cat.) ΔH < 0 PRODUCCIÓN 79
  • 80. HIDRÓGENO A PARTIR DE COMBUSTIBLES FÓSILES (Syngas) El gas de síntesis está compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono, y muy a menudo, algo de dióxido de carbono PRODUCCIÓN 80 Wikipedia ES
  • 81. HIDRÓGENO ELECTRÓLISIS Cátodo: Fe Ánodo: Fe cubierto de Ni Membrana: Asbestos Requiere sobrepotenciales (E>2V) OTROS Descomposición catalítica de amoniaco Descomposición térmica del agua Producto secundario PRODUCCIÓN 4OH- D 2H2O + O2 + 4e- 4H2O + 4e- D 2H2 + 4OH- 2H2O D 2H2 + O2 E = 1.23V ΔH = 569 kJ/mol 81
  • 82. HIDRÓGENO 82 PRODUCCIÓN: REFORMADO DE VAPOR Alternative: Gas adsortion http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/lvic-aaf.html
  • 83. HIDRÓGENO Desulfuración R-SH + H2 → H2S + RH (cat.) H2S + ZnO → ZnS + H2O Reformado primario (steam reforming) CH4 + H2O D CO + 3 H2 (cat.) ΔH = 205 kJmol Reformado secundario (steam reforming + gas reforming) CH4 + H2O D CO + 3 H2(cat.) 2 H2 + O2 D 2 H2O ΔH = -482 kJmol 2 CH4 + O2 D 2 CO + 2 H2 Reacción agua gas (shift conversion) CO + H2O D CO2 + H2 (cat.) ΔH = - 41 kJ/mol Eliminación del CO/CO2 (TEMA 7) Química Física 83 PRODUCCIÓN: REFORMADO DE VAPOR
  • 84. HIDRÓGENO Eliminación física del CO/CO2 84 PRODUCCIÓN: RECTIFICADO DE VAPOR http://www.linde-engineering.com/
  • 85. HIDRÓGENO Eliminación química del CO/CO2 Scrubbing: MEA: 2 RNH2 + CO2 → RHNCO- + RNH3 + K2CO2: K2CO3 + CO2 → KHCO3 Metanación: CO + 3 H2 → CH4 + H2O (cat.) ΔH = -206 kJ/mol CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (cat.) ΔH = -165 kJ/mol PRODUCCIÓN: RECTIFICADO DE VAPOR http://www.linde-engineering.com/ T1 > T2 85
  • 86. Alternative: Gas adsortion (Claus Plant, TEMA 5 ) HIDRÓGENO 86 PRODUCCIÓN: GASIFICADO http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/lvic-aaf.html
  • 87. HIDRÓGENO Energéticas H2 + ½ O2 → H2O ΔH = 121 KJ/g •  Uso in-situ •  Combustible de alto rendimiento •  Soldadura y corte Químicas Reductor •  C-C (Aceites, C=C) •  -O-H (-COOH, CHO) •  Manufactura del poliuretano •  Semiconductores (Si) •  Metales APLICACIONES Material Producto Phenol Ciclohexanol Nitrógeno Amoniaco Naftaleno Tetralina Oleina Stearina Diisobutileno Isooctano Monoxido de Carbono Metanol Aplicaciones (USA, 1996) Petroquímica Amoniaco Metanol Otros 87
  • 88. PERÓXO DE HIDRÓGENO Distribución Es el peróxido más usado Disoluciones acuosas (35-70% w/w) Propiedades Oxidante Descompone Producción Históricamente: •  Peróxido de bario + H2SO4 •  Electrolisis del H2SO4 Actualmente: •  Proceso antraquínona (95% del total) 88
  • 89. PERÓXIDO DE HIDRÓGENO Via húmeda BaO2 + H2SO4 → BaSO4 + H2O2 BaO2 + 2 HCl → BaCl2 + H2O2 BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 + 2 HCl Electrólisis H2SO4 → H2S2O8 + 2 H+ + 2 e- (alternativa (NH4)HSO4) H2S2O8 + 2 H2O → 2 H2SO4 + H2O2 Proceso antraquinona (Riedel–Pfleiderer process, 1953) PRODUCCIÓN 89 R R OH OH O O O2 Pd H2 H2O2
  • 90. PERÓXIDO DE HIDRÓGENO Proceso antraquínona Proceso más usado desde los 60 Oxidación-Reducción Reacciones secundarias Estabilizantes PRODUCCIÓN R R OH OH O O O2 Pd H2 H2O2 90 2-alkil-antrahidroquinone 2-alkyl-antraquinone 2-alkil-5,6,7,8-terahidro-antrahidroquinone
  • 91. PERÓXIDO DE HIDRÓGENO 91 PRODUCCIÓN Antraquinone + Solvent Hydrogen Air or Oxygen Rich Air Hydrogenator Vacuum Column I Vacuum Column II Oxidizer Liquid/Liquid Extractor Catalyst Filter Activated Carbon Absorber Solvent Purification Solvent Recycle Water Recycle Water Recycle to Extractor Atmosphere or Further Treatment Make-up Water Feed 72% Hydrogen Peroxide Product
  • 92. PERÓXIDO DE HIDRÓGENO APLICACIONES Perborato y Percarbonato 39% Blanqueate de papel 31% Blanqueante textil 9% Producción Química 19% Otros 2% Aplicaciones (UE, 1990) 92 Perborato de sodio Percarbonato de sodio
  • 93. ALGUNOS TEMAS Recuperación de agua / aire en ambientes cerrados (H2O, O2) Tecnología PSA/VSA Electrolisis del agua (catalizadores, luz) Recuperación de catalizadores Tratamiento de lodos Ecología de la desalinización Ejemplos de limpieza de aguas industriales Control y problemas derivados de los DBPs, Toxicidad de los agentes de cloración Obtención de gases nobles Almacenaje de hidrógeno Estabilizantes Emulsiones (formación / purificación) Agua potable 93