Lab. No 3 Floculación - Coagulación (Mediciones Hidrológicas) PDF

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Laboratorio de Mediciones Hidrológicas...

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Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Civil Licenciatura En Ingeniería Civil Mediciones Hidrológicas

Laboratorio No. 3: SIMULACIÓN DEL PROCESOS DE COAGULACIÓN – FLOCULACIÓN ( PRUEBAS DE JARRAS)

Presentado a: Prof. Canto, Alides

Pertenece: ▪ ▪ ▪

Chirú, Kevin Montenegro, Gonzalo Tejada, Rigoberto

8-937-2054 8-916-2418 8-926-832

Fecha de Entrega: Miércoles 3 de marzo de 2021

1IC-152 1IC-151 1IC-152

Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 OBJETIVO ............................................................................................................. 2 MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 2 OBSERVACIÓN VISUAL ....................................................................................... 3 Turbiedad Residual ............................................................................................ 4 MATERIALES Y EQUIPOS .................................................................................... 4 PROCEDIMIENTO ................................................................................................. 6 Aplicaciones Práctica de la Prueba de Potabilización. ........................................ 8 Coagulación de los distintos coagulantes. .......................................................... 9 PREGUNTAS....................................................................................................... 10 CALCULOS.......................................................................................................... 11 CONCLUSIÓN ..................................................................................................... 14 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 14

INTRODUCCIÓN El proceso de Coagulación–floculación resulta un método útil para la separación de partículas muy finas de naturaleza coloidal que presentan gran estabilidad en el agua. Por otra parte, los parámetros óptimos de operación en este proceso requieren ser establecidos de forma experimental; este proceso se realiza en las plantas de tratamiento y purificación de aguas. La floculación y coagulación sirve para producir la desestabilización de las partículas coloidales utilizando una sustancia química que recibe el nombre de coagulante, su función es neutralizar las cargas electrostáticas de los coloides para provocar la unión de partículas. Luego de la coagulación, se utiliza otra sustancia química llamada floculante para aglomerar las partículas desestabilizadas en unidades llamadas flóculos los cuales irán creciendo a medida que más partículas se aglomeren. Cuando las partículas aglomeradas tengan un tamaño considerable se precipitarán al fondo del recipiente que contenga agua. De esta manera las sustancias coloidales son separadas del agua. En esta práctica de laboratorio algunas de las variables a evaluar son el pH y su efecto sobre la formación de floculantes y la remoción de turbiedad. La prueba de jarras nos permitirá ajustar el pH, hacer variaciones en las dosis de las diferentes sustancias químicas que se añaden a las muestras. En el presente trabajo se realiza la simulación del proceso de coagulación – floculación en una muestra de agua.

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OBJETIVO Determinar la dosis correcta de coagulante para el proceso de coagulación floculación.

MARCO TEÓRICO La coagulación-floculación es una técnica química de tratamiento del agua que se aplica, típicamente, antes de un proceso físico de separación que suele hacerse por sedimentación o filtración, con el fin de mejorar su capacidad de eliminación de partículas. La coagulación neutraliza cargas y forma una masa gelatinosa que atrapa (o une) partículas, aumentando su tamaño de modo que puede quedar atrapada en el filtro o sedimentar. La floculación mueve suavemente o agita tales partículas, haciendo que se unan formando masas mayores que sedimentan con más facilidad o pueden ser filtradas. Para separar las partículas disueltas y suspendidas del agua se utilizan procesos de coagulación y floculación. Estos son relativamente sencillos y rentables, siempre que haya sustancias químicas disponibles y que la dosificación se adapte a la composición del agua (1). El proceso de coagulación–floculación consiste en añadir al agua o agua residual determinados aditivos químicos con el objetivo de favorecer la sedimentación de materia coloidal no sedimentable o aumentar la rapidez de sedimentación por la formación de flóculos. La eliminación de estas partículas puede realizarse mediante la adición de los compuestos químicos llamados coagulantes que logran desestabilización en la partícula coloidal, las cuales están cargadas eléctricamente y presentan una doble capa eléctrica que le da estabilidad al sistema (2). Las pruebas en jarras se utilizan para determinar las dosis más efectivas de coagulante para un agua específica durante el control de la coagulación y floculación en una planta de tratamiento, especialmente cuando la calidad del agua fluctúa rápidamente (3). Los primeros aparatos empleados para desarrollar el sistema de simulación del proceso de coagulación (pruebas de jarras), fueron desarrolladas en los estados unidos, entre 1918 - 1921. Desde entones la prueba de jarras ha constituido, unos de los principales instrumentos de trabajo en las plantas de tratamientos en todo el mundo. Este ensayo intenta simular las condiciones en las cuales coagula el agua en las plantas de tratamiento. Sin embargo, dado el pequeño volumen de precipitados 2

contiene en comparación con el gran volumen de los tanques de floculación reales, la dosis correcta de sustancias químicas que se debe aplicarse para coagular el agua (4).

OBSERVACIÓN VISUAL Es la que comúnmente se hace. Consiste simplemente en observar la forma cómo se desarrolla el floc. En cada una de las jarras, escogiendo aquella que produzca el floc más grande de mayor velocidad de asentamiento aparente, y que deje ver un agua más cristalina entre las partículas coaguladas. La comparación de los tamaños no es fácil. Algunos prefieren estimularlo en milímetros en forma muy aproximada, otros prefieren usar el índice de wilcomb tal como se incluye en la siguiente tabla:

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Turbiedad Residual Las observaciones visuales para estimar el tamaño y calidad del floc producido en las jarras, en realidad, dice poco sobre la eficiencia y rapidez con que se ha producido la clarificación del agua. Por eso cuando interese, es conveniente tomar el sobrenadante que se produce después de 30-60 por periodo de sedimentación, extrayendo 20-50 litros de muestra de 4*5 cm de profundidad desde la superficie. A la muestra así extraída se le determina la turbiedad con un tubímetro fotoeléctrico (4).

MATERIALES Y EQUIPOS Materiales Un agitador mecánico provisto con tres a seis paletas, capaz de operar la velocidad variable y provisto de iluminación localizada en la base del agitador.

Seis vasos de precipitados de unos o dos litros de capacidad.

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Un balde de plástico, de tipo domestico con una capacidad superior a 8 litros, para la recolección de la muestra

Una probeta graduada a 1000 ml para la medición de la muestra.

Pipetas graduadas de 1.5 y 10 ml.

Una pipeta de 100 ml.

Aparato para la determinación de color, turbiedad, ph y la alcalinidad.

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Coagulante a utilizar (unos de los más comunes es el sulfato de aluminio o alumbre) se recomienda una solución al 1%.

PROCEDIMIENTO: 1. Se enjuaga seis vasos de precipitados de 1 litro, 500 ml con agua corriente permitiendo que escurran por unos cuantos minutos, colocándolos boca abajo, los vasos que tiene varios días de uso se deben lavar interior y exterior de loza, terminando la limpieza con un buen enjuague de agua corriente. 2. Se limpian las paletas del aparato de agitación con una tela húmeda. 3. Se recolecta la muestra de agua cruda, teniendo presente que los pasos 4 y 7 deben quedar terminados dentro de un lapso de 20 minutos. Si el trabajo se tiene que interrumpir durante esta fase crítica, se desecha la muestra y se procura una muestra reciente. En otra forma la sedimentación de gran parte de la turbiedad y el aumento de la temperatura de la muestra, por el calor de laboratorio, pueden conducir a resultados erróneos. 4. Se voltean los vasos a su posición normal y se vierte, en cada uno de ellos 1 litro de agua cruda.

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5. Se colocan todos los vasos que tienen todos los volúmenes de muestra en 1 litro en el aparato de agitación.

1ml 3ml 5ml 8ml 12ml 15ml Sulfato de aluminio al 1% La jarra que tiene la dosis de 5ml de alumbre es la que presento las condiciones satisfactorias para la dosis óptima. 6. Con una pipeta graduada se agrega dosis creciente de la solución coagulante tan rápidamente como sea posible. La serie de las dosis se selecciona en forma tal, que el primer vaso presenta un tratamiento o sobretratamiento. Cuando se ha establecido una serie adecuada, la sucesión de vasos debe mostrar resultados de coagulación calificables como pobre, regular, buena y excelente, al finalizar la prueba. Será necesaria repetir la prueba de potabilización una o dos veces hasta conseguir la serie adecuada que conduzca a los resultados deseados (no es recomendable en esta sugerir una serie especifica de dosis coagulante porque la coagulación depende del valor de pH y de la cantidad de turbiedad, color alcalinidad y sustancias minerales disueltos, lo mismo que de la naturaleza del coagulante que se agrega). 7. Se bajan las paletas de agitación dentro de los vasos, se pone en marcha el aparato agitador y se opera, por (1) minuto, a una velocidad de 60 a 80 revoluciones por minuto. 8. Se reduce la velocidad del agitador, en los siguientes 30 segundos a 30 rpm y se continúa la agitación a esta velocidad por 15minutos exactos. 9. Obsérvese cada vaso de precipitado para determinar la aparición de floculo, de punta alfiler, el orden de tales apariciones. 10. Se detiene el aparato de agitación y se permiten que las muestras se sedimenten por 15 o 60 minutos. Se observan los flóculos y se registra el orden de la sedimentación. Se describen los resultados como pobres, regulares, buenos y excelentes. Una muestra brumosa indica una coagulación pobre o deficiente. El agua apropiadamente coagulada contiene 7

partículas de flóculos que se encuentran bien formadas y el líquido entre. las partículas son claras. La dosis más baja de coagulante, capaz de abatir la turbiedad durante la prueba de potabilización, debe ser la primera que se pruebe en la operación de planta. 11. Por medio de una pipeta de 100ml se extrae, de cada vaso una porción superior de la muestra de unos 4 cm de profundidad. 12. Se determine el color, la turbiedad, el valor del pH y la alcalinidad a la fenolftaleína y total de la muestra coagulada, siguiendo las instrucciones de las guías anteriores.

Aplicaciones Práctica de la Prueba de Potabilización. 1. Variación del tiempo de agitación. El procedimiento especifica un punto exacto de agitación de 15 minutos a 30 rpm. Esta cifra arbitraria solo es de valor real cuando dos plantas potabilizadoras, a ciertas distancias una de la otra, desean comparar los resultados de una investigación sobre una coagulante o un coagulante en particular. El período de agitación de 15 minutos resulta demasiado breve en plantas potabilizadoras con un período de floculación de 40 a 60 minutos y demasiado prolongado en plantas antiguas, en las solo se conceden 5 min de floculación. El operador debe aumentar o disminuir el tiempo de agitación de 15 minutos para que se equipare con el tiempo de floculación de la planta. También las condiciones de operación en la planta pueden influir para cambiar el período de agitación del laboratorio, por ejemplo: el período de floculación en una planta que trabaja de 225 litros por segundo (lps) en el invierno, puede ser 40 minutos, mientras que en verano una tasa de bombeo de 440 litros por segundo reduce el período de floculación a 20 minutos. En el segundo caso, el tiempo de agitación se debe reducir proporcionalmente. Debe efectuarse ajustes similares cuando una planta, con tres tanques de floculación sedimentación, trabajando en paralelo, se tiene un período normal de floculación de 30 minutos, pero que, al quedar fuera de servicio un tanque 8

por reparaciones o limpieza, se reduce el periodo efectivo de floculación. 2. Variación del período de sedimentación. Un período de sedimentación de 5 min puede ser útil, si se justifica como una conclusión posterior al finalizar el período de agitación. Por ejemplo: una muestra puede aparentar buen comportamiento durante la agitación, sin embargo, al suspenderse esta, los flóculos grandes pueden ser incapaces de sedimentarse en 15 o 20 min. Por otro lado, con una dosis más elevado y presentando exactamente la misma apariencia es posible que otra muestra comience a sedimentarse bien en menos de 5 minutos mostrando rápidamente un cielo limpio, de más de 1 cm de espesor, de agua clara, en la parte en la parte superior del vaso de precipitados. Bajo tales circunstancias pudiera ser preferible la dosis más elevada la ideal general es emplear en la operación de la planta de la dosis más baja que produzca un floculo bien formado de rápida sedimentación, que muestre agua clarificada entre las partículas.

Coagulación de los distintos coagulantes. Cuando se ha concentrado la dosis óptima para cada uno de los coagulantes ensayados, se puede hacer una última prueba de potabilización en la cual c ada coagulante se aplica con dosificación óptima. En vaso de precipitación por separados, al final de la prueba se pueden comparar los coagulantes sobre la claridad aparente de agua entre las partículas flóculos, valor de pH, alcalinidad, color de agua depende de la sedimentación y costo por metro cubico.

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PREGUNTAS 1. Nombre de dos compuestos utilizados como coagulantes, clasificados como: a) sales de alumbre: sulfato de aluminio, es un coagulante efectivo en intervalos de pH de 6 a 8. Es una sal de fórmula Al (H2O)6 3+, es sólido y blanco (en el caso del sulfato de aluminio tipo A, con un contenido de hierro inferior 0.5%) y marrón para el caso del sulfato de aluminio tipo B (contenido de hierro inferior al 1,5%). b) sales de hierro: Sulfato férrico, funciona de forma estable en un intervalo de pH de 4 a 11. Sal sólida de color amarillo, cristaliza en el sistema rómbico y es soluble en agua a temperatura ambiente. Fórmula: Fe (H2O)6 3+ 2. ¿A qué se refiere el término “ayudas de coagulación” y de los ejemplos de estos? El término en cuestión hace referencia a la desestabilización de los contaminantes que se encuentran en el agua, al igual que remover la materia orgánica particulada, con la formación de floc más fuertes y sedimentables. Ejemplos: → Sílice activa → Polímeros → Sustancias oxidantes → Cal viva → Cal apagada → Carbonato sódico → Ácidos mineros 3. ¿Qué compuesto se utiliza para adicionar alcalinidad al agua en caso de que sea insuficiente su contenido natural? El bicarbonato de sodio, el cual es un compuesto sólido cristalino de color blanco soluble en agua, con un ligero sabor alcalino parecido al del carbonato sódico, de fórmula NaHCO3 4. ¿Que son los polielectrolitos y mencione algunas de las características de los diferentes tipos de ellos? Los polielectrolitos son polímeros cuyas unidades de repetición soportan un grupo electrolito. Estos grupos se disocian en disoluciones acuosas (agua), por lo que quedan como polímeros cargados. Las propiedades de los polielectrolitos son por lo tanto similares a los dos: electrolitos (sales) y polímeros (compuestos de alto peso molecular), y a veces se denominan polisales. → Polielectrolitos no iónicos: Casi exclusivamente poliacrilamidas. → Polielectrolitos aniónicos: Caracterizados por la existencia de grupos que permiten la adsorción, y grupos ionizados negativamente, cuyo papel consiste en aumentar la extensión de las cadenas del polímero. El más conocido es la poliacrilamida parcialmente hidrolizada en medio básico. Polielectrolitos catiónicos: Tienen en sus cadenas una carga eléctrica positiva, debida a la presencia de grupos amino, imino y amonio cuaternario.

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CALCULOS ➢ Agua Cruda Potencial de hidrogeno (pH) pH

6.81

+

H pOH

1.55E-07 7.19

OH-

6.46E-08

𝑝𝑂𝐻 = 14 − 6.81 = 7.19 𝐻 + = 10−(𝑝𝐻) = 10(−6.81) = 1.55 × 10−7 𝑂𝐻 − = 10−(𝑝𝑂𝐻) = 10−(7.19) = 6.46 × 108 Solidos suspendidos Solidos Suspendidos (mg/L) 232

Color aparente Color aparente (mg/L) 840

Turbiedad Turbiedad (FAU) 399

Alcalinidad total Alcalinidad como CaCO3 (ml/g)

𝐴𝑙𝑐𝑎𝑙𝑖𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

v1 ml 5.4

v2 ml 7.9

(𝑣2 − 𝑣1) ∗ 0.02 ∗ 50000 = 𝟓𝟎 𝒎𝒍⁄𝒈 𝒄𝒐𝒎𝒐 𝑪𝒂𝑪𝑶𝟑 50 𝑚𝑙

➢ Agua semitratada Potencial de hidrogeno (pH) pH

6.78

+

H pOH

1.66E-07 7.22

OH-

6.03E-08

11

𝑝𝑂𝐻 = 14 − 6.78 = 7.22 𝐻 + = 10−(𝑝𝐻) = 10(−6.78) = 1.66 × 10−7 𝑂𝐻 − = 10 −(𝑝𝑂𝐻) = 10−(7.22) = 6.03 × 108 Solidos suspendidos Solidos Suspendidos (mg/L) 19

Color aparente Color aparente (mg/L) 146

Turbiedad Turbiedad (FAU) 60

Alcalinidad total Alcalinidad como CaCO3 (ml/g)

𝐴𝑙𝑐𝑎𝑙𝑖𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

v1 ml 7.9

v2 ml 8.6

(𝑣2 − 𝑣1) ∗ 0.02 ∗ 50000 = 𝟏𝟒 𝒎𝒍⁄𝒈 𝒄𝒐𝒎𝒐 𝑪𝒂𝑪𝑶𝟑 50 𝑚𝑙 Dosis Optimas

Para la jarra #3, suponiendo 3 ml de coagulante 𝟔𝒎𝒍 ∗ 𝟏𝟎 𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒄𝒐𝒂𝒈𝒖𝒍𝒂𝒏𝒕𝒆 ⁄ 𝒎𝒍 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏 = 𝟎. 𝟎𝟑 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝒎𝒈 𝒅𝒆 𝒄𝒐𝒂𝒈𝒖𝒍𝒂𝒏𝒕𝒆 ⁄𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔 = 𝟑𝟎. 𝟎

𝑫𝒐𝒔𝒊𝒔 𝒐𝒑𝒕𝒊𝒎𝒂 =

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#Jarra Coagulante (ml) Dosis Optima de coagulante (mg/L) 1 2 10 2 4 20 3 6 30 4 8 40 5 10 50 6 12 60

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CONCLUSIÓN La coagulación-floculación del agua es un proceso complejo que básicamente consiste en la desestabilización y agrupamiento de los sólidos suspendidos, en pequeñas masas con densidad mayor a la del agua, a estas pequeñas masas se les denomina flóculos. Con este proceso se pretende eliminar las partículas en suspensión y con ello obtener la clarificación del agua, si bien esto es de importancia estética, el agua más clara no es sinónimo de que sea la más segura y apta para el consumo, ya que existen otros factores a considerar como el potencial de hidrógeno ya que, al aplicar las sales de alumbre, estas pueden disminuir el pH y dependiendo del nivel de este puede suponer un problema. La clarificación es solo una parte del proceso de tratamiento del agua potable, es necesario velar que las características químicas del agua se mantengan dentro de los límites máximos permisibles por las normas.

BIBLIOGRAFÍA 1. Pérez, Luis Roberti. Coagulación, floculación y separación. [En línea] https://sswm.info/es/gass-perspective-es/tecnologias-de-agua-ysaneamiento/ tecnologias-de-abastecimiento-de-agua/coagulaci%C3%B3n%2Cfloculaci% C3%B3n-yseparaci% C3%B3n#:~:text=La%20coagulaci%C3%B3n%2Dfloculaci%C3%B3n%2 0es%20una,capacidad%20de%20eliminaci%. 2. ESTUDIO DEL PROCESO DE COAGULACIÓNFLO-CULACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DE LA EMPRESA TEXTIL "DESEMBARCO DEL GRANMA" A ESCALA DE LABORATORIO. Cabrera, Xiomara, Fleites, Marisol y Contreras, Ana. Cuba : s.n., 2009. 3. Procedimientos Simples Para Pruebas en Jarras. [En línea] http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/19121/Anexo.pdf. 4. Cárdenas, Cenobio. Guía de Laboratorio 3 - Mediciones Puerba de Jarras. 2021.

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