Читать книгу Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano - Arístides Sotomayor - Страница 22

El tratamiento terciario es la etapa final en el tratamiento de aguas y efluentes. Su finalidad es aumentar la calidad del efluente, según los estándares establecidos por los organismos competentes, antes de su vertido al medio receptor (mar, río, lago, zonas agrícolas, etcétera). Un reto recurrente en la industria es la separación de partículas para obtener un producto de mayor pureza. La respuesta se ha encontrado en el uso de tecnologías de membrana para la separación de sustancias disueltas o dispersas en medios fluidos o fluidizados, como el agua.

Esta etapa se compone de varios métodos que se pueden aplicar en una planta de tratamiento, ya que cada uno es específico. En ellos, se articulan conceptos físicos, fisicoquímicos y de mecánica de fluidos, que permiten la interacción de las sustancias que forman los sistemas según alguna de sus características, como el tamaño de las partículas, la difusividad, la viscosidad y la carga iónica, entre otras. Sirven como medios de retención en las diferentes condiciones operacionales de presión, temperatura, pH, atracción eléctrica, etcétera. Entre ellos, la filtración tangencial es un proceso que se diferencia de los métodos convencionales. Consiste en la separación de sólido y líquido mediante una membrana que tiene un componente de fluido presurizado, donde el flujo del material por filtrar circula tangencialmente a la superficie de la membrana, y solo una parte del agua y las partículas con menor diámetro que el tamaño del poro logran atravesar (permeado) la membrana. El resto del agua y las partículas de mayor tamaño son rechazados (véase la figura 1.13). El principio aplicado en este método es la diferencia de presión entre ambos lados de la membrana, conocida como presión transmembrana, además de la porosidad, cuya función es la retención de las partículas de diferente tamaño (Sulem et al., 2014). Por ello, es importante indicar cuál es el diseño de los equipos que se utilizan en la filtración tangencial y reducir el cambio de medios filtrantes debido a la colmatación y a la incrustación de partículas por la presión de trabajo.

Figura 1.13

Esquema de sistema de filtración tangencial

Elaboración propia

En el tratamiento del agua o de efluentes, se aplica la tecnología de membranas para la separación de partículas microscópicas inferiores a 10^–5 m, que puede ser en medios filtrantes, intercambio de iones y desinfección. A continuación, se describen brevemente los diferentes métodos utilizados en el tratamiento terciario de aguas o efluentes en el ámbito internacional.

a. Microfiltración (MF)

Opera con membranas de porosidad entre 0,05 µm y 10 µm y para diferencias de presiones de hasta 2 bar. Se utiliza principalmente para separar las partículas en suspensión y la clarificación del agua.

b. Ultrafiltración (UF)

Funciona con presiones cuyo rango varía entre 2 a 10 bar y la porosidad de la membrana es menor que en la MF. Debido a la porosidad menor, estas membranas son apropiadas para la desinfección de las aguas y la clarificación.

c. Nanofiltración (NF)

La membrana es más densa (menor porosidad) y requiere la aplicación de mayores presiones que oscilan entre 10 y 50 bar. Con estas membranas se logra retener sales multivalentes como el sulfato de magnesio, y se obtienen aguas desalinizadas y muy puras.

d. Ósmosis inversa (OI)

La ósmosis es el fenómeno fisicoquímico que implica la difusión de moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable desde una zona de mayor concentración de disolvente a una zona de menor concentración de disolvente. El Diccionario de la lengua española define ósmosis como el paso de disolvente, pero no de soluto, entre dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable. La intensidad en el paso del disolvente está en función de la temperatura, la concentración y las características de los iones. La membrana semipermeable es selectiva y deja pasar algunas sustancias a través de ella. En la figura 1.14, (a) representa la situación inicial y (b) es el sistema en equilibrio cuando las moléculas de disolvente pasan a la zona de menor concentración. La diferencia de presión cuando el sistema llega al equilibrio se denomina presión osmótica (Ps). La ósmosis inversa es el proceso inverso a la ósmosis y consiste en aplicar una presión (P) mayor a la presión osmótica para que partículas de disolvente pasen de la zona de menor concentración a la zona de mayor concentración (c). La ósmosis inversa (OI) sirve principalmente para la desalinización de aguas marinas, salobres y contaminadas; se usan las membranas selectivas de gran permeabilidad para el agua y se fabrican especialmente para cada proceso; la presión requerida puede llegar hasta los 80 bar (Sulem et al., 2014).

En la mayoría de los casos, los sistemas de ósmosis inversa requieren de un adecuado tratamiento previo para evitar que las membranas se bloqueen a causa de sedimentos, dureza, materia orgánica, bacterias, sílice, óxidos metálicos e incluso cloro. Normalmente, se necesita de un sistema de tratamiento posterior, ya que el agua que sale del proceso de ósmosis inversa suele ser más ácida que el agua o efluente que ingresa para su tratamiento, puesto que contiene CO₂ disuelto (Hernández, 2010). El tratamiento posterior consiste en un proceso de neutralización y remineralización (véase la figura 1.15).

Figura 1.14

Principio básico de ósmosis y ósmosis inversa

Elaboración propia

Figura 1.15

Esquema de sistema operacional de ósmosis inversa

Elaboración propia

e. Intercambio iónico (IO)

Utiliza resinas sintéticas o también arcillas activadas para retener los iones presentes en el agua como resultado del intercambio con iones de hidrógeno y oxidrilos. Las sustancias no ionizadas no se pueden someter a un proceso de intercambio iónico. Este método busca retirar selectivamente los iones presentes en el agua mediante el uso de sustancias sólidas, difícilmente solubles, que tienen la capacidad de retener los iones (aniones o cationes) que trae el agua, y ceder a cambio parte de sus iones. Estas sustancias sólidas pueden ser resinas sintéticas, útiles para el intercambio iónico cuando son fabricadas, o de origen natural, las cuales pertenecen a la familia de las zeolitas. El proceso de intercambio de iones entre el agua y la resina es rápido; cuando la resina agota sus iones, esta debe ser regenerada.

El proceso de intercambio iónico más conocido es el que se emplea para el ablandamiento de agua y consiste en retirar los cationes Ca⁺² y Mg⁺². Las zeolitas (silicatos dobles de aluminio y sodio/potasio) y las resinas catiónicas tienen la propiedad de intercambiar sus iones de Na⁺ o K⁺ por los iones Ca⁺² y Mg⁺² del agua dura. El término de agua dura se refiere al agua con contenido de sales de calcio y de magnesio, las cuales se precipitan formando el caliche cuando el agua es calentada o hervida. Por el contrario, el agua blanda es la que no posee iones, calcio ni magnesio.

Para la desionización completa del agua (retiro de los cationes y los aniones), el proceso se realiza en dos etapas: primero, se retiran los cationes y, posteriormente, los aniones. Para este fin se usan resinas sintéticas, como los copolímeros del estirenodivinilbenceno, por su mejor desempeño y selectividad. Si el agua dura tiene alto contenido de carbonatos, se intercala una columna de desgasificación para retirar el dióxido de carbono producido. El proceso de desmineralización completa del agua se muestra en el diagrama de la figura 1.16. En la columna de resina de cationes, las sales ionizadas (cationes y aniones) que contiene el agua se transforman en ácidos libres por el reemplazo de los cationes metálicos por protones (H⁺). En la columna de desgasificación, se elimina el H₂CO₃ formado como CO₂, que se separa como gas y agua, lo que reduce el riesgo de obstrucción por la acumulación de bolsones de gas en las tuberías. En la columna de resinas aniónicas, se retienen los aniones de los ácidos libres y se liberan los aniones de oxidrilo (OH^–), que producen agua con los protones. Cuando se colmatan o agotan las resinas, estas deben ser regeneradas; para ello, se utiliza una solución ácida al 5 % de HCl o H₂SO₄ para la resina catiónica y una solución básica al 5 % de NaOH o KOH para la resina aniónica. Por lo tanto, el agua sometida al proceso de desmineralización completa es un producto diferente del agua obtenida en un proceso de ablandamiento.

Figura 1.16

Proceso de desionización del agua por intercambio iónico

Elaboración propia

f. Electrodesionización (EDI)

Es el proceso que combina la tecnología de intercambio iónico con la electrodiálisis. Las especies ionizables del agua se eliminan a través de un campo eléctrico que realiza el transporte iónico. A diferencia del intercambio iónico que utiliza resinas que se agotan y hay que regenerarlas, la electrodesionización (EDI) emplea membranas de intercambio iónico para la separación de los iones y, mediante el sistema de filtración tangencial, se produce la remoción continua de los iones. De este modo, en el proceso de electrodesionización, interviene una pequeña cantidad de resinas de intercambio iónico, membranas semipermeables aniónicas y catiónicas alternadas, y una corriente eléctrica continua entre dos electrodos (cátodo y ánodo). El agua proveniente de la ósmosis inversa es sometida a un proceso donde se aplica el potencial eléctrico a los electrodos con el fin de producir la remoción de los iones, lográndose la desionización.

g. Desinfección

El propósito de la desinfección en el tratamiento del agua es reducir sustancialmente el número de organismos vivos que hay en ella. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua que es tratada (por ejemplo: turbiedad, pH, etcétera), del tipo de desinfección que se utiliza, de la dosis de desinfectante (concentración y tiempo) y de otras variables ambientales. El agua turbia será tratada con menor éxito, puesto que la materia sólida puede interferir blindando a los organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos de contacto son bajos. Existen diversos procedimientos y la elección está sujeta al uso que tendrá el agua tratada. Entre los métodos físicos se encuentran la esterilización con radiación ultravioleta (UV) y el uso de membranas de alta tecnología, como la nanofiltración. Entre los métodos químicos están el tratamiento con cloro y sus compuestos o con agentes oxidantes, como el ozono y el permanganato de potasio.

La radiación UV daña la estructura genética de las bacterias, virus y otros patógenos, haciéndolos incapaces de reproducirse. La desinfección con cloro sigue siendo la forma más común con el uso de ácido hipocloroso (HClO) en solución acuosa como agente bactericida. Según la cantidad de bactericida que se necesita, se puede obtener el ácido hipocloroso por reacción de cloro gaseoso con agua, por disolución de cristales de hipoclorito de sodio en agua o utilizando directamente el producto comercial lejía, que es una solución de hipoclorito de sodio en agua en concentración de 2 a 2,5 %. El poder bactericida se reduce a medida que actúa hasta desaparecer; por esta razón, se considera como una sustancia que no afecta al medio ambiente. El ozono (O₃) es muy inestable y reactivo y oxida la mayoría del material orgánico con que entra en contacto, de tal manera que destruye muchos microorganismos que causan enfermedades. Por la inestabilidad del ozono, este debe generarse al momento de usarlo.

h. Proceso de conversión de grasas en energía

La despolimerización termal se realiza por un proceso de pirólisis acuosa con el fin de reducir los organismos complejos a aceite. El hidrógeno en el agua se inserta entre los vínculos químicos en polímeros naturales como las grasas, las proteínas y la celulosa, de las cuales se puede obtener como resultado el aceite combustible y gases como metano, propano, butano y dióxido de carbono; también se separan pequeños residuos, parte del material insoluble inerte que se asemeja a la roca y al carbón pulverizado. En este proceso se destruyen todos los organismos y toxinas orgánicas; por su parte, las sales inorgánicas como los nitratos y fosfatos se mantienen en niveles altos en el agua, por lo que requieren de un tratamiento adicional.