DIRECCIÓN INSTITUCIONAL DE INVESTIGACIÓN, PROYECCIÓN Y DESARROLLO FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN DESARROLLOS TECNOLÓGICOS Y AMBIENTALES, GIDTA Paola Andrea Calderón Cuartas Líder de Grupo
[email protected]
Sebastián Isaac Pacheco González
[email protected]
REMOCIÓN DE TURBIEDAD EN AGUA DE UNA FUENTE NATURAL MEDIANTE COAGULACIÓN/FLOCULACIÓN USANDO ALMIDÓN DE PLÁTANO Grupo de investigación GIDTA
1. Generalidades e historia del proyecto.
2. Descripción del proyecto.
3. Descripción de la siguiente fase.
GENERALIDADES E HISTORIA.
• Proyecto de aula: • «Remoción de turbiedad en aguas crudas con coagulantes vegetales» • Proyecto de semillero SEIKA. Articulo publicado en la «Revista ION» categoría A2 http://revistas.uis.edu.co/index.php/revistaion Titulo: Remoción de turbiedad en agua de una fuente natural mediante coagulación/floculación usando almidón de plátano. Autores Daniela Trujillo; Luisa Fernanda Duque; Juan Sebastián Arcila; Alejandro Rincón; Sebastián Pacheco; Oscar Fernando Herrera.
En el tratamiento de agua residual o tratamiento por potabilización de agua para consumo doméstico, el uso de polielectrolitos en unión con coagulantes metálicos presenta grandes beneficios:
1. se produce un floc cuya sedimentación es rápida. 2. se puede reducir el gasto de coagulante, para el caso de ciertos tipos de aguas tratadas.
• Los polielectrolitos se pueden clasificar en sintéticos y naturales: 1. los polielectrolitos sintéticos son compuestos de tipo orgánico, obtenidos por vía química a partir de derivados del carbón y del petróleo.
Los polímeros sintéticos son muy usados para coagulación y floculación en tratamiento de aguas residuales. Entre los polímeros más usados están: • La poliacrilamida • El ácido poliacrílico y • varios polímeros catiónicos. • Polidacmacs, sintex, Economix, Ecotec.
Desventajas: 1. su costo es elevado para los países de América Latina, teniendo en cuenta que debe ser importado. 2. Su costo sufre incrementos debido al aumento de los costos de las reservas de petróleo.
3. tiene muy baja biodegradabilidad en el suelo y en el agua, y 4. los monómeros residuales tienen alto nivel de toxicidad.
2. los polielectrolitos naturales son polímeros generados por reacciones bioquímicas naturales, ya sea en plantas o animales, y pueden ser proteínas, carbohidratos y polisacáridos.
1. Los polielectrolitos naturales son de bajo costo. 2. Su grado de toxicidad es bajo. 3. Tienen buena biodegradabilidad. 4. El empleo de polímeros naturales genera un menor volumen de lodos en comparación con los polímeros sintéticos.
Algunos de estos son: Almidón modificado, celulosa, y polisacáridos bacteriales.
El uso del almidón natural en combinación con coagulantes inorgánicos es una alternativa que permite disminuir el consumo de polímeros sintéticos utilizados como ayudantes de coagulación y floculación (polielectrolitos)
reduce los costos en plantas de tratamiento de lixiviados o aguas residuales
El almidón y sus derivados han demostrado ser muy útiles para floculación de partículas minerales ultrafinas y metales de hierro.
Trabajo de Ortega • Ortega JA, Laines JR, Aparicio MA. Almidón modificado de plátano: posible uso en el tratamiento de lixiviados provenientes de rellenos sanitarios. Kuxulkab. 2010;17(31):87-96.
Trabajo de Laines • Laines JR, Goñi JA, Adams RH, Camacho W. Mezclas con potencial coagulante para tratamiento de lixiviados de un relleno sanitario. Interciencia. 2008;33(1):22-8.
Almidón modificado. Para obtener el almidón entrecruzado (AEm) se parte de la síntesis del trimetafosfato de sodio (STMP).
Para obtener el STMP se calienta fosfato de sodio monobásico (NaH2PO4) en una mufla a 530 °C por 5 h.
La mezcla obtenida se seca a 40 °C por 15 h en la estufa.
La pasta seca, se lava tres veces con 300 mL de agua destilada ajustando el pH a 6.5 y decantando cada vez. Se agrega 300 g de almidón (base seca), mezclando con acido clorhídrico y agua destilada hasta ajustar a un pH de 6 y un peso de 667 g.
Se disuelve 21 g de STMP, en una solución de 300 mL de agua destilada con 15 g de sulfato de sodio.
La pasta final se seca nuevamente a 40 °C ´ por 15h, se pulveriza en el molino y se almacena en bolsas de polietileno.
• ¿Es correcto usar alimentos para solucionar un problema ambiental? • ¿No arriesga esto la seguridad alimentaria?
Componente ético ambiental
En Colombia se produce 2,8 millones toneladas/año de plátano, el cual 200.000 toneladas de plátano son desechadas. Ref. Ministerio de Agricultura y desarrollo rural
El plátano es desechado en procesos de manufactura por no cumplir normas y estándares de calidad.
EL ALMIDON. • El almidón es un polímero natural. • Los polímeros tienen diferente peso molecular, estructura, composición, y tipo de carga. La cantidad de carga depende de las características de la ionización de cada grupo funcional.
Los polielectrolitos (polímeros) tienen tres tipos de acciones
coagulación, causando una disminución de la carga de las partículas, que es el caso de los polielectrolitos catiónicos,
formación de puentes entre partículas, que es el caso de polímeros aniónicos y polímeros no iónicos.
Coagulación-formación de puentes, que es el caso de polielectrolitos catiónicos de alto peso molecular. Los polímeros de alto peso molecular son efectivos para inducir floculación.
La efectividad de la floculación mejora con el peso molecular del polímero, ya que esto implica la formación de flóculos más largos.
Una concentración muy alta de polímero puede degradar la floculación porque en este caso cada molécula de polímero se pega sobre una sola partícula, de modo que no se forman los puentes
• Los que muestran mayor efectividad y tienen mayor potencial para ser usados en plantas de tratamiento son: los almidones, los compuestos algínicos y los derivados de la tuna o nopal.
• El principal componente del fruto de plátano es el almidón. El plátano en su etapa biche tiene un gran porcentaje de almidón, entre 60 y 70%, de modo que funciona como un excelente floculizante. • Los componentes del plátano en orden de mayor a menor porcentaje son: almidón, humedad, fibra, lípidos, proteínas y cenizas.
Almidón
• La amilasa es un polímero lineal, mientras que la amilopectina es un polímero altamente ramificado. • Algunos valores del contenido de amilosa y amilopectina en el almidón de plátano aprox.: 11g de amilosa por 100g de almidón, y 89g de amilopectina por 100g de almidón
• Las moléculas de amilosa están compuestas de aproximadamente 200 a 2000 moléculas de glucosa. • Las moléculas de amilopectina son significativamente más grandes que las moléculas de amilosa; algunas contienen entre 10000 y 20000 unidades de glucosa.
Coagulación / Floculación
La adsorción del almidón mejora con valores bajos de pH.
El almidón tiene carga negativa, y el pH bajo implica carga positiva de los sitios superficiales, favoreciendo la adsorción del almidón.
A altos pH, los sitios superficiales tienen carga negativa, degradando la adsorción del almidón.
Prueba de Jarras
La coagulación consiste en reducir la carga eléctrica de las partículas suspendidas. El proceso de coagulación reduce la carga del floc, contribuyendo a la agregación de partículas para formar microflóculos.
La floculación consiste en la agregación de partículas para formar flóculos más grandes.
La sedimentación comprende la precipitación de sólidos, incluyendo los sólidos debidos a la contaminación y los sólidos generados por los químicos.
La meta de una prueba de jarras básica es establecer los parámetros de proceso que dan lugar a un desempeño óptimo del proceso de CF. Los parámetros del proceso son: 1. Dosis de ayudas de coagulación y floculación, 2. intensidad y tiempo de mezcla rápida y lenta, 3. valor del consumo de productos químicos correspondiente a la intensidad y tiempo de mezcla óptimos, 4. Relación entre dosis utilizada de productos químicos y eficiencia de remoción.
Se consideran como factores variables: • El pH, • La dosis de coagulante, • La velocidad de mezcla lenta y • La velocidad de mezcla rápida.
El número de variables a evaluar y la complejidad del proceso de CFS, es la razón por la cual los procedimientos convencionales de CFS tienen un consumo significativo de tiempo, y un número relativamente alto de experimentos
El trabajo consistió en identificar la influencia de cuatro factores variables sobre la remoción de turbiedad, no como una prueba definitiva de determinación de los valores óptimos sino como un primer estudio que permitiría un posterior estudio riguroso de prueba de jarras que forma parte del trabajo futuro.
Identificación
las interacciones entre los factores variables los factores variables con mayor efecto en remoción de turbiedad rangos de valores de los factores variables
Se utiliza un diseño experimental factorial 2k que permite identificar los valores óptimos de los parámetros a analizar. Diseño experimental
Factores variables: pH, dosis de coagulante, velocidad de mezcla rápida y velocidad de mezcla lenta.
Variables de respuesta: turbiedad en NTU.
Factores constantes: tipo de agua, tipo de coagulante, tiempo de mezcla rápida, tiempo de mezcla lenta, tiempo de sedimentación.
Factor Variable
Valor Mínimo
Valor Máximo
A
pH
5
7
B
Dosis de coagulante (%p/p) Sulfato Aluminio - Almidón
50-50%
20-80%
C
Velocidad mezcla rápida
100 rpm
150 rpm
D
Velocidad mezcla lenta
20 rpm
50 rpm
Para la obtención del almidón de plátano se utilizaron los siguientes equipos y materiales: un horno, una nevera, una licuadora, un cuchillo, papel tamiz y plátano verde.
Se utilizaron 2kg de plátano verde recolectado en la plaza de mercado de la ciudad de Manizales (Colombia).
La pasta fue llevada al horno durante 24 horas, y posteriormente empacada.
Cada plátano fue cortado en trozos iguales, incorporado en agua al fuego, durante 45 minutos, hasta ebullición.
Luego fue licuado y pasado por el papel tamiz, para absorber el agua.
Se recolectó agua proveniente de una fuente natural de agua en el sector del Cerro de Oro
Turbiedad inicial: 360 NTU
El agua presentó los siguientes valores: pH inicial: 7,89
Entrada a la planta de potabilización de agua de Niza, planta operada por la empresa Aguas de Manizales.
La turbiedad presente en la fuente natural de agua era muy baja, se añadió arcilla y arena con el fin de aumentar la turbiedad.
EQUIPO DE JARRAS
EQUIPO: TEST DE JARRAS
ESPECIFICACIONES: Rango seleccionable: Rango bajo: 0-25 rpm Rango alto: 0-335 rpm Capacidad: 6 Jarras de 2 Ltrs c/u. REQUERIMIENTOS: Volt.: 120 Amp.: 0.65 Hz.: 50-60
Conclusiones del trabajo • Las observaciones realizadas durante las pruebas de jarras y los datos de turbiedad indican que el almidón de plátano utilizado es efectivo como ayudante de floculación, cuando se usa sulfato de aluminio líquido. • Cuando se usó sulfato de aluminio granulado no se obtuvo una identificación clara de los factores relevantes, de modo que los datos no son adecuados para el análisis estadístico.
Orden de las corridas, configuración de las corridas y resultados de las mediciones de turbiedad para el caso de sulfato de aluminio liquido para la primera y la segunda réplica.
• El experimento factorial 2^k permitió determinar la influencia de distintos factores en la turbiedad. • Aunque el diseño 2^k utilizado comprende un bajo número de ensayos, se obtienen resultados consistentes. • Es posible describir el comportamiento de la turbiedad en función de un número relativamente bajo de variables
• El sulfato de aluminio genera una oxidación química de la materia orgánica disuelta, mientras que el almidón de plátano sólo remueve la fracción particulada de DQO y no la fracción disuelta. • Conviene tener un valor menor de la velocidad de mezcla rápida, de 100rpm en lugar de 150rpm.
• Conviene tener un valor mayor de la velocidad de mezcla lenta, de 50rpm en lugar de 20rpm. • Conviene un pH de 5 en lugar de 7, lo cual depende del agua a tratar, del coagulante que es sulfato de aluminio, y del almidón de plátano.
Etapa siguiente Evaluación del efecto en la reducción de la turbiedad de lixiviados del relleno sanitario La Esmeralda, mediante un proceso de coagulación/floculación ayudado por almidón de plátano y aguas termales.
Acercamiento Que es lixiviado? • La materia orgánica presente en los residuos sólidos urbanos se degrada formando un líquido contaminante, de color negro y de olor muy penetrante, denominado lixiviado. • Este líquido arrastra todo tipo de sustancias nocivas: Se han encontrado hasta 200 compuestos diferentes, en su mayoría tóxicos y cancerígenos. La humedad de los residuos y la lluvia son los dos factores principales que aceleran la generación de lixiviados.
La esmeralda Manizales El relleno Sanitario La esmeralda de Manizales Se pueden distinguir dos zonas: · Zona antigua · Zona nueva La zona antigua se considera como la primera etapa de llenado, la cual se llevó a cabo antes de que EMAS se hiciera cargo del manejo del relleno. La zona nueva es la correspondiente al trabajo realizado por EMAS.
áreas: Área de disposición final de residuos: 57222 m2 Área del relleno antiguo: 24032 m2 Área del relleno nuevo: 33190 m2
Perforación del material de cobertura
Canalización
Lixiviado viejo
•
Imágenes de Archivo. Ref bibliografica.
Lixiviado nuevo
Justificación • En este proyecto se analiza la remoción de turbiedad en agua residuales lixiviadas del rellenos sanitario la Esmeralda de la ciudad de Manizales, mediante coagulación/floculación, usando almidón de plátano como ayudante del agua termal. Se plantea elaborar un diseño experimental factorial aleatorio de cuatro factores variables: pH, dosis de coagulante, velocidad de mezcla rápida y velocidad de mezcla lenta. Se realizaran pruebas de jarras para determinar los valores óptimos de dichos factores. • El almidón de plátano muestra ser adecuado como ayuda de floculación en aguas crudas, aunque presenta una sedimentación lenta (Articulo: Remoción de turbiedad en agua cruda mediante coagulación/floculación usando almidón de plátano).
Pregunta de investigación • ¿Es posible reducir la turbiedad en los lixiviados del relleno sanitario la esmeralda por Coagulación / Floculación usando almidón de plátano y agua termal?
Objetivo general • Evaluar el efecto en la reducción de la turbiedad de lixiviados del relleno sanitario La Esmeralda, mediante un proceso de coagulación/floculación ayudado por almidón de plátano y aguas termales.
Objetivos específicos • Caracterizar los parámetros básicos de las materias primas a usar en la investigación como: almidón de plátano, agua termal y lixiviado (Turbiedad y pH) para la evaluación del proceso de coagulación/floculación. • Planear y ejecutar un diseño experimental para la evaluación del proceso de coagulación/floculación empleando almidón de plátano y aguas termales. • Evaluar el efecto en la reducción de la turbiedad de lixiviados del relleno sanitario La Esmeralda, empleando análisis estadístico detallado de los resultados obtenidos.
Participantes: Sebastián Isaac Pacheco G.(Investigador principal) Diana Carolina Meneses (Co-investigadora) Cesar Javier Benavides (Co-investigador) Melissa Barco Largo (Asistente de investigación) Julio Henry Serrato S. (Asistente de investigación) Manuel Alejandro Salazar (Asistente de investigación) Juan Camilo Santamaria. (Asistente de investigación)
¿Preguntas?
[email protected]
View publication stats
