Titulo

Aprovechamiento del agua residual de equipos de ultrafiltración de agua, Osmosis Inversa.

Justificación¿Qué relevancia tiene para la carrera que elegiste?

En los equipos de tratamiento de agua en empresas del ramo farmacéutico, se utilizan equipos de Osmosis Inversa para purificar el agua con el que se fabrican los productos que se producen ahí. Normalmente estos equipos tienen un rechazo de agua por diseño de los mismos equipos de un 30% de lo que producen, el cual es desechado al drenaje.

En la carrera de ingeniería en energías renovables se busca mejorar las tecnologías actuales para hacerlas más amigables con el medio ambiente, por lo que el aprovechar el agua de rechazo de estos equipos, hará de estos procesos menos contaminantes y por lo tanto, más eficientes en su funcionamiento.

¿Qué elementos aporta el proyecto para mejorar el medio ambiente?

El aprovechar el agua de rechazo en otras cosas que no demanden tanta pureza del agua, evitará consumir agua de la red de agua potable y con esto tener un mejor aprovechamiento del agua que se consume y procesa en una planta de tratamiento de aguas de la empresa farmacéutica donde trabajo actualmente.

Marco teórico

Osmosis InversaLa ósmosis inversa es uno de los procesos de membrana conducidos bajo presión, para la purificación del agua, entre los que también se incluyen la nano filtración, la ultrafiltración y la micro filtración. La osmosis inversa es una técnica muy útil y bien desarrollada para la filtración y la desalinización del agua. Como se ilustra en la figura, consiste en forzar el agua a través de una membrana semipermeable que permite el paso del agua pero no de otro material. Este proceso, que no es una simple separación a través de tamices o ultrafiltración. Depende de la sorción preferencial del agua en la superficie de una membrana porosa de acetato de celulosa o poliamida. El agua pura de la capa sorbida es forzada a través de los poros en la membrana bajo presión. Si el espesor de la capa de agua sorbida es d, el diámetro del poro para la separación óptima debe der 2d. El diámetro óptimo del poro depende del espesor de la capa de agua sorbida y puede ser varias veces el diámetro de las moléculas de soluto y del solvente.

En un ejemplo de reciclaje propio de la práctica de la química verde, al tratar membranas gastadas de osmosis inversas con permanganato de potasio, se reducen drásticamente sus propiedades de rechazo de sales, lo cual permite su uso en la filtración para eliminar del agua los sólidos en suspensión. Se han reportado reducciones en los sólidos suspendidos de aproximadamente 94%. (Manahan, 2007)

El pH: una medida de la acidezPuesto que las concentraciones de los iones H⁺ y OH⁻ en disoluciones acuosas con frecuencia son números muy pequeños y, por tanto, es difícil trabajar con ellos, Soren Sorensen propuso, en 1909, una medida más práctica denominada pH. El pH de una solución se define como el logaritmo negativo de la concentración del ion hidrogeno (en mol/L):

Debido a que el pH es sólo una manera de expresar la concentración del ion hidrogeno, las disoluciones ácidas y básicas a 25°C se identifican por sus valores del pH, como sigue:

Observe que el pH aumenta a medida que [H⁺] disminuye. (Chang, 2010)

Conductividad eléctricaTanto los iones hidronio como hidroxilo, al ser pequeños y muy cargados relativamente, presentan una alta movilidad iónica que es superada, por otro lado, por la del ion H⁺ no hidratado.

Respecto al último, los protones en el seno del agua, tanto líquida como sólida, son capaces de saltar entre las propias moléculas unidas con puentes de hidrogeno mediante efecto túnel. Estos desplazamientos son muy rápidos, provocando una conducción de electricidad, en este caso mediante transporte de especies cargadas (iones H⁺ e iones H⁻), a lo que también se denomina conductividad electrolítica.

La conductividad eléctrica de disoluciones se rige también por la ley de Ohm, que establece que la intensidad de corriente es igual al cociente entre la diferencia de potencial y la resistencia eléctrica del medio, I = E/R. la unidad practica de resistencia es el ohmio, mientras la unidad de potencial es el voltio y la de la intensidad de la corriente es el ampere.

Como de la ecuación de ohm resulta que la corriente transportada por una disolución para una diferencia de potencial constante es inversamente proporcional a la resistencia, la magnitud 1/R será una medida de la capacidad conductora, denominándose conductividad y expresándose como 1/ohmio o Mohs. La resistencia de un conductor varía directamente con su longitud y es inversamente proporcional a su superficie.

Por último, podríamos definir la conductividad equivalente como la conductividad de la disolución cuando un equivalente de electrolito conduce la corriente eléctrica, con lo cual se podrían comparar conductividades de sustancias. Sin entrar en más detalles, la conductividad de disoluciones se mide en micro Siemens.

En el caso del agua pura a 18°C, o mejor, agua ultra pura, su conductividad especifica es muy baja e igual a 0,05*10⁻⁶ ohm⁻ⁱ cm⁻ⁱ. (Mellado & Marín Galvín, 1999)

Dureza del aguaEl agua dura es la que requiere mucho jabón para ejercer su acción limpiadora, formando incrustaciones cuando se eleva la temperatura.

SíliceLa sílice se presenta de tres formas: suspendida (arena), coloidal (no reactiva), y disuelta (reactiva). La sílice disuelta se denomina reactiva por que responde al test colorímetro con Molibdato, adquiriendo un típico color azul.

La remoción de sílice no reactiva es similar a la de cualquier coloide. Tal como ocurre en las potabilizaciones, el agua se flocula, decanta y filtra con arena u otros medios.

Una regla que generalmente se cumple es que la sílice coloidal se encuentra en aguas superficiales (por ejemplo ríos y diques), al igual que otros contaminantes orgánicos o sustancias que forman coloides. Por el contrario, las aguas de pozo rara vez contienen sílice en forma coloidal. Ello es así porque el suelo actúa como filtro filtrante y, si bien los silicatos son poco solubles, es frecuente encontrar acuíferos que contienen 50 o más partes por millón de sílice disuelta.

Al generar vapor en una caldera o al evaporar agua en una torre de enfriamiento se concentran las impurezas disueltas, alcanzando rápidamente –en caso de aguas de pozo- la saturación del nivel de sílice, que es de 120 ppm a pH neutro. Debido a ello debe removerse la sílice disuelta en forma previa a estas aplicaciones. (Osmo, 2013)

PropósitosRecuperar el rechazo de los equipos de ultrafiltración (Osmosis Inversa) para darles re-uso en la empresa donde trabajo, y con esto disminuir el gasto por consumo de agua de la red.

Estos equipos rechazan por diseño un 30% del agua que procesan, mensualmente se consumen en la empresa más de 2000 M³ de agua de la red de distribución, por lo que el potencial de ahorro es muy bueno.

Desarrollo experimental

Métodos y técnicasMonitoreo de sílice, dureza, sulfatos y pH del agua tratada del rechazo de las Osmosis.

Dureza

Es la suma de las concentraciones de Ca y Mg expresados en mg/litro de Carbonato Cálcico.

El método de determinación es calculado a partir del Ca y Mg:

Método titulométrico con EDTA

Principio- el EDTA y sus sales de sólido forman un complejo de quelato soluble al añadirse a las disoluciones de algunos cationes metálicos. Si a una solución acuosa que contenga iones Ca y Mg a un pH = 10 +/- , se le añade una pequeña cantidad de negro ericromo T y adquiere un color rojizo. Si se añade EDTA como reactivo titulante los iones Ca y Mg formarán un complejo con el y cuando todos estos iones estén incluidos en este complejo y no quede ninguno libre la solución cambiará, virará de rojo vino al azul señalando con ello el punto final de la titulación. Para que este punto sea claro han de estar presentes los iones magnesio para asegurar esta presencia añadiremos al tampón una pequeña cantidad de EDTA magnésico.

Reactivos- EDTA disódico a 0.01M

Solución tampón, disolver 54 gramos de cloruro de amonio, 350ml de amoniaco y una pequeña cantidad de EDTA magnésico a volumen final de 1 litro.

Indicador, disolución de negro ericromo T al 0.4% en etanol absoluto.

Procedimiento-

Tomar 50ml de muestra y añadir 2 ml de tampón y 5-6 gotas del indicador. Valorar lentamente con EDTA disódico 0.01 M hasta que la disolución vire de rojo a azul.

Cálculos y expresión de los resultados

Dureza expresada en mg/litro de CaCO₃:

Sulfatos

El ion sulfato es muy abundante en la naturaleza y muy variable su existencia en el agua. En las aguas de minas y efluentes industriales hay un gran contenido de sulfatos que provienen de la oxidación de la pirita del uso del ácido sulfúrico.

Si el sulfato esta en forma de sulfato de magnesio conferirá un sabor amargo al agua a partir de 400-600 ppm y es sulfato de calcio aparecerá entre 250-400 ppm.

Los sulfatos no afectan a las cañerías excepto a las de plomo de modo de concentración de sulfatos mayor de 200 ppm incrementan la concentración de plomo disuelto en el agua proveniente de las cañerías.

Manejo de la muestra- si la muestra contienen materia orgánica y bacteria sulfato reductoras los sulfatos serán reducidos a sulfuro. Para evitar esto es conveniente almacenar la muestra en refrigeración (4°C) y si estuviera muy contaminada tratarla con formaldehido. Si contiene sulfitos a un pH superior a 8 reaccionan con el oxígeno y pasan a sulfatos, para evitar esto hay que ajustarse el pH por debajo de 8.

Métodos de determinación- existen dos métodos: Método gravimétrico. UNE 77048-2002 y Método turbidimétrico. UNE 77049-2002

Usaremos el método espectrofotométrico

Principio- precipitación de anión sulfato a sulfato de bario en condiciones tales que se formen cristales homogéneos que se mantengan estables en suspensión hasta que se realice la medida.

Reactivos-

Solución patrón de sulfato potásico. Disolver 0.8707 gramos de sulfato potásico en agua destilada a volumen final de un litro. Esta disolución contiene 840 mg/l de sulfato.

Solución precipitante de acetato barico. Disolver 20g de acetato en una mezcla de 75ml de ácido acético 10N y 25ml de solución de goma arábiga al 5%. Una vez preparado filtrar, y su pH estará a 3.7.

Sílice

La determinación de la concentración de sílice es una adaptación del método ASTM D859 del método azul heterópoly. La reacción entre la sílice y los reactivos causa una coloración azul en la muestra que es proporcional a la concentración de sílice. (Instrument)

pH

Métodos de determinación de pH- existen varios métodos diferentes para medir el pH. Uno de estos es usando un trozo de papel indicador de pH. Cuando se introduce el papel en una solución, cambiará de color. Cada color diferente indica un valor de pH diferente. Este método no es muy preciso y no es apropiado para determinar valores más pequeños de pH, tales como 3.5 o 8.5.

El método más preciso para determinar el pH es midiendo un cambio de color en un experimento químico de laboratorio. Con este método se pueden determinar valores de pH tales como 5 a 9.

Ninguno de estos métodos es apropiado para determinar los cambios de pH con el tiempo.

El electrodo de pH- es un tubo lo suficientemente pequeño como para poder ser introducido en un recipiente normal. Esta unido a un pH-metro por medio de un cable. Un tipo especial de fluido se coloca dentro del electrodo; este es normalmente Cloruro de Potasio 3M. algunos electrodos contienen gel que tiene las mismas propiedades que el fluido 3M. En el fluido hay cables de plata y platino. El sistema es bastante frágil, porque contienen una pequeña membrana. Los iones H⁺ y OH⁻ entrarán al electrodo a través de esta membrana. Los iones crearán un carga ligeramente

positiva y ligeramente negativa en cada extremo del electrodo. El potencial de las cargas determina el número de iones H⁺ y OH⁻ y cuando esto haya sido determinado el pH aparecerá digitalmente en el pH-metro. El potencial depende de la temperatura de la solución. Es por eso que el pH-metro también muestra la temperatura. (lenntech, 2014)

Cronograma de actividadesActividades, fechas y responsables

Responsable: Juan Eduardo Gamboa

Venegas

2014

MARZO ABRIL MAYOAnálisis del agua de

Osmosis InversaBúsqueda de método de recuperación del agua de rechazo de

Osmosis Inversa

Puesta en marcha del proyecto de

aprovechamiento de aguas de rechazo de

Osmosis Inversa

Análisis del agua aprovechada con el

método seleccionado

Nota: No se pudo contactar a los integrantes de mi equipo por lo que lo realicé individualmente.

Bibliografía

Chang, R. (2010). Química. México D.F.: McGrawHill Educación.

Instrument, H. (s.f.). Hanna Instrument. Recuperado el 2014, de http://www.hannainst.es/catalogo/fichas/905_38067.pdf

lenntech. (2014). www.lenntech.es. Recuperado el 2014, de http://www.lenntech.es/ph-y-alcalinidad.htm

Manahan, S. E. (2007). Introduccion a la química ambiental. Mexico D.F.: Reverté.

Mellado, J. M., & Marín Galvín, R. (1999). Fisicoquímica de aguas. Madrid: Ediciones Díaz Santos.

Osmo. (2013). Osmo. Recuperado el 2014, de http://www.osmo.com.co/aplicaciones9ca4.html?id_submenu=26