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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
œT
œP
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
œT
œP
60
›[NaCl]
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
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
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
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