UNIVERSIDAD CATLICA DEL NORTEFACULTAD DE CIENCIAS DEL MARESCUELA DE PREVENCIN DE RIESGOS Y MEDIOAMBIENTE

Proyecto torre de adsorcin de carbn activado en aguas residuales.

Boris AsolasAna CortsClaudia Prezscar RiverosDavid Villavicencio

Profesor: Rodrigo Poblete.Ao 2014

IntroduccinLa adsorcin es una de las operaciones unitarias ms ampliamente utilizados en la industria qumica, es una operacin de transferencia de masa que comprende el contacto de lquidos o gases con slidos donde se produce una separacin de componentes de una mezcla lquida o gaseosa por adherencia a la superficie del slido. As los tomos de la superficie del solido atraen y retienen molculas de otros compuestos (Marn 2003)Los slidos absorbentes se emplean en forma granular y varan de tamao desde los 12mm de dimetro hasta las 50 micras. Los adsorbentes deben poseer propiedades adecuadas a la que se les va a dar, por ejemplo si se utilizan en un lecho fijo por el cual pasara un fluido, no deben ocasionar una alta cada de presin de flujo, ni deben ser arrasados por la corriente del fluido, una caracterstica importante del adsorbente es una gran superficie por unidad de peso, la capacidad de absorcin del material disminuye con el tiempo, debido a la saturacin del rea de absorcin. Por eso a la hora de elegir un adsorbente es ideal que sea econmico, con capacidad de adsorcin, regenerable y vida til, para ello se utiliza carbn activado, que en el caso de purificacin de lquidos, debe emplearse en forma de polvo y no granulado como para los gases. El carbn activado se utiliza como decolorante, pero su mayor uso est en la purificacin de soluciones, asi como para la eliminacin de olores y colores de las aguas. ( Slejko 1988).Sin embargo, el desarrollo de un modelo es un proceso que consume tiempo y costoso, ya que son necesarios estudios piloto. Adems, los modelos se limitan generalmente al sistema especfico examinado por una serie de parmetros de funcionamiento.

ObjetivosObjetivo general:-Elaborar una torre de adsorcin de carbono activado para el tratamiento de aguas residuales, con un diseo base de demostracin.Objetivos especficos:-Identificar los aspectos tcnicos del proyecto que se adecen a las necesidades del tratamiento de aguas residuales en evaluacin. -Disear a nivel experimental la tecnologa presupuestada para su ejecucin.-Analizar la viabilidad del funcionamiento de la torre de adsorcin de carbn activado.

AlcanceEste trabajo se enfoca en proponer una tecnologa de tratamiento de aguas residuales, factible y mediar su funcionamiento, siendo el carbn activado un adsorbente universal, y que posee una gran capacidad de remocin favoreciendo su empleabilidad, haciendo de esta manera un sistema viable para su uso.

Metodologa1.- Identificar los aspectos tcnicos del proyecto que se adecen a las necesidades del tratamiento de aguas residuales en evaluacin. -Conocer la funcin del carbn activado y su naturaleza. Mediante bsqueda bibliogrfica, recurrente en base a estudios anteriores sobre la aplicacin de esta tecnologa de fuentes tales como Science direct y google patents, determinar su aplicacin a distintos niveles de procesos, las ventajas y desventajas de este. En base a datos bibliogrficos obtenidos y comparados con otros autores descubiertos en el proceso.-Analizar el funcionamiento de la adsorcin y su participacin en el proceso de desarrollo de la torre de carbn activado. Identificar las propiedades fisico-quimicas:Estructura, Clasificacin, Tamao, Composicin qumica.-Conocer el proceso de activacin del carbn activado, mediante su elaboracin con el fin de determinar su mayor rendimiento y su desarrollo en el proceso, y conocer los factores que influyen en la adsorcin de compuestos presentes en agua.

2.- Disear a nivel experimental la tecnologa presupuestada para su ejecucin.-Disear un modelo terico de la tecnologa. Con su funcionamiento en base a supuestos que se presentaran en el desarrollo de este.-Construir de manera efectiva el diseo muestreal y hacer operar la tecnologa, esperando su funcionamiento de manera eficiente. Tomando como base desarrollos anteriores de esta tecnologa gracias a datos bibliogrficos obtenidos de las fuentes ya citadas.3.- Analizar la viabilidad del funcionamiento de la torre de adsorcin de carbn activado.-Estimar el comportamiento deseado para su ejecucin. Mediante indicadores y una hiptesis determinada.-Crear un presupuesto para su construccin.

Estado de la tecnologa.El carbn activado es un adsorbente preferido para la eliminacin de micro-contaminantes de la fase acuosa; sin embargo, su amplio uso se ha visto restringido debido a los altos costos asociados (Joana M. Dias. et al., 2007). Sin embargo la naturaleza del material tanto en sus propiedades texturales (rea superficial especifica BET, dimensiones de los poros, etc) determinan rpidamente la utilidad del que se le dara como material de estudio. Los procesos de fabricacin de los carbones activados son bsicamente dos tipos; la primera es la activacin fsica, tambin denominada trmica y la segunda es la activacin qumica. La activacin fsica se lleva a cabo en 2 etapas de preparacin, a altas temperaturas y con un presentable rendimiento menor en comparacin a la activacin qumica que solo se lleva a cabo en un solo paso o proceso de activacin. (H. Marsh et al., 2006). Actualmente, hay muchos estudios sobre el desarrollo de adsorbentes de bajo costo, es decir, mediante el uso de materiales de desecho para ese propsito. Pero el alto rendimiento que presenta el uso de Carbn activado, representa una viable tecnologa de desarrollo.La activacin fsica es un proceso de dos etapas en la que consta: Una carbonizacin de la materia y la activacin del carbonizado, a altas temperaturas y bajo un proceso de gasificacin, bajo la accin de gases oxidantes como dixido de carbono, etc. Eliminando la selectividad, aumentando el volumen de los poros y el rea superficial especifica de este.Mientras que la activacin qumica es un proceso nico en el cual la carbonizacin y la activacin se dan en la misma fase, el material carbonoso se pone en contacto con un agente activante, compuesto qumico el cual se impregna con un tratamiento trmico que produce un cambio significativo en la estructura y porosidad.La adsorcin es un proceso en El carbn activo viene en dos variaciones: Carbn activado en polvo y carbn activado granular. El que slido es utilizado para eliminar o extraer una sustancia caracterstica soluble en agua. El carbn activo se produce especficamente para alcanzar una superficie interna muy grande (entre 500 - 1500 m2/g). Esta superficie interna grande hace que el carbn tenga una adsorcin ideal, el uso de estos se da principalmente en tratamientos de aguas como las siguientes: Adsorcin de sustancias no polares como: fenoles, aceites minerales, poli-hidrocarburos. Olor Gusto Levaduras Varios productos de fermentacin Sustancias no polares (sustancias las cules no son solubles en agua)Los fenmenos de adsorcin presentan una enorme importancia en un sin nmero de desarrollos de operaciones y procesos industriales de la rama qumica, en laboratorios y en el campo acadmico e investigativo. Mltiples aplicaciones de fenmenos de adsorcin se hacen evidentes durante procesos de catlisis heterognea (por ejemplo en reacciones de craqueo de petrleo, de eliminacin de contaminantes, como en el caso de los convertidores catalticos de los automviles y reacciones de qumica fina, entre otros), procesos de separacin de mezclas (con variadas aplicaciones en cromatografa, tratamientos de residuos en soluciones acuosas y procesos de purificaciones de gases y lquidos. (Jose G. Carriazo, et al., 2010)

Metodologa de la investigacin Activacin del carbnExisten varios materiales para convertirlos en carbn activado, en los que tambin se ha utilizado el cafe, que para el caso de liquidos se usa en pulverizado, este material se ha utilizado recientemente y con mejores resultados que los carbones activados comerciales (Nabais et al 2008), El mtodo qumico de activacin consistir en la carbonizacin de la materia prima en presencia de cido fosfrico (H3PO4), para evitar que durante este proceso se depositen hidrocarburos sobre la superficie del carbn. ( Namane 2005). La primera etapa para activar el carbn consiste en deshidratar la materia prima mediante la accin de un qumico, tal como cido fosfrico, Cloruro de zinc o Carbonato de potasio. En una segunda etapa se carboniza el material deshidratado a baja temperatura (500 a 600 C), obtenindose automticamente la estructura porosa. En una tercera etapa, el producto resultante se lava con el objeto de dejarlo tan libre como sea posible del agente qumico utilizado, as como para recuperar y reutilizar este ltimo. El grado de activacin tambin puede variarse en este tipo de proceso, de acuerdo a la cantidad del qumico deshidratante utilizado. El carbn activo es un material en forma de polvo muy fino que presenta un rea superficial excepcionalmente alta y se caracteriza porque contiene una gran cantidad de microporos (poros inferiores a 2 nm de dimetro). El carbn activo puede tener un rea superficial entre 500 y 2500 m2/g. (Marn 2003).La alta efectividad en remocin o adsorcin de compuestos, se debe a que el carbn activado tiene una gran rea superficie disponible para que puedan interactuar las molculas de la sustancia que se adsorbe. Esta gran superficie se adquiere cuando el material carbonceo se somete a altas temperaturas y se forman enlaces con los respectivos activadores como, nitrgeno, argn, bixido de carbono o algn otro gas inerte. Este repentino cambio en la estructura interna del material provoca un gran nmero de huecos de tamao microscpico, cuya superficie es receptiva a la retencin de molculas con una cierta estructura o estereoqumica. Si el carbn tiene gran afinidad por la adsorcin especfica de un compuesto, la cantidad que puede remover de ste, es de hasta 60 gramos de contaminante por cada 100 gramos de carbn activado y por estas cualidades se ha dicho que el uso del carbn es la mejor tecnologa disponible en este momento para la remocin de contaminantes del aire y del agua. Dependiendo del activador que se use las partculas de carbn activado tendrn zonas activas para un deteminado contaminante, asi los atomos de estos slidos atraern y atraparan molculas de los compuestos que se deseen. ( Armenante 1995 )Isotermas de adsorcin y medicin de la eficienciaLas isotermas de adsorcin se utilizan para la seleccin preliminar de un adsorbente antes de ejecutar pruebas ms costosas. Dan indicaciones sobre la eficacia de la adsorcin para la eliminacin de impurezas especficas, as como la cantidad mxima que puede ser adsorbido por una unidad particular. Sin embargo, las isotermas de adsorcin no son capaces de dar informacin sobre el comportamiento del filtro porque la adsorcin en columna de carbn no est en equilibrio ( Name 2006 ). Las isotermas de adsorcin representan la cantidad de material unido a la superficie como una funcin del material presente en la fase gas o en la disolucin. Las isotermas de adsorcin se usan con frecuencia como modelos experimentales. Por eso es importante determinar la cantidad de adsorbato adsorbida por unidad de volumen de poro.

Figura 1 Representacin de las isotermas relacionadas con la adsorcin. (Fuente Marn 2003).

El principal residuo lquido que se produce en la almazara con el sistema de produccin de dos fases est constituido de las aguas de lavado de la aceituna y de la centrfuga (lavado de aceite), del patio y puntualmente tolva. Anualmente se procesan aproximadamente 30 millones metros cbicos de residuos de la industria de la Aceituna. La almazara media tiene una capacidad en torno a 10-20 toneladas de aceituna por da y una produccin de agua residual especfica del proceso alrededor de 0,4 m3 por tonelada de frutos, o sea un caudal diario de agua residual superior a 8 m.En general los residuos lquidos del procesado de aceitunas tienen unos valores de DQO y DBO5. Presentan tambin polifenoles, en valores hasta 2 g/l, que le confiere un carcter toxico.

Parmetros del agua estudiada Ph5,3

CE (ms/cm)1,6

DQO disuelto (mg/L)8200

DBO (mg/L)7000

SST (mg/L)3200

Fenoles (mg/L)400

Tuberas de pvc Diseo

Columna de adsorcin con carbn activado

Bomba

Tubo y vlvula de recirculacin

Recipiente con fluido tratado

Recipiente con fluido contaminado

Figura: layout del sistema de columna de adsorcin con carbn activado, en sistema de recirculacin.

PresupuestoHumboldt 0.5 HP Bomba Perifrica valor caudal 31lt/minmx.$30.000

4 tubos pvc de 1 x 3 metros de largo$5000

5 codos de pvc$6450

Vinilit adhesivo para pvc$1800

2 tee pvc$600

Una sierra con hoja para pvc$3000

2 valvulas de bola de 1$4400

Total$50.850

Bibliografa Piero, M Armenante Biotratamientos de residues toxicos y peligrosos, editorial McGraw Hill 1995. Marn, Rafael. 2003. Fisicoqumica y microbiologa de los medios acuticos y tratamientos para control de calidad de aguas. Ediciones Santos, S. A. Madrid. Waste materials for activated carbn preparation and its use in aqueous-phase treatment: A review. Journal of Environmental Management, Volume 85, Issue 4, December 2007, Pages 833-846. Joana M. Das, Maria C.M. Alvim- Ferraz, Manuel F. Almeida, Jos Rivera-Utrilla, Manuel Snchez-Polo . H. Marsh, F. R. Reinoso. Activated Carbn. 2006. Propiedades adsortivas de un carbn activado y determinacin de la ecuacin de Langmuir empleando materiales de bajo costo. Jose G. Carriazo,1 Martha J. Saavedra, Manuel F. Molina1. Educ. qum., 21(3), 224-229, 2010. Universidad Nacional Autnoma de Mxico Slejko 1985 F.L. Slejko. Adsorption TechnologyMarcel Dekker, New York (1985)

http://www.sciencedirect.com/

Slejko F.L. Slejko. Adsorption TechnologyMarcel Dekker, New York (1985) Namane, A., A. Mekarzia, K. Benrachedi, N. Belhaneche-Bensemra y A. Hellal (2005). Determination of the adsorption capacity of activated carbon made from coffee grounds by chemical activation with ZnCl2 and H3PO4. J. Hazard. Mater., B119: 189-194. Nabais, J., P. Nunes, P. Carrott, M. Carrott, A. Macas y M. Daz-Dez (2008). Production of activated carbons from coffee endocarp by CO2and steam activation. Fuel Process. Technol., (http://www.sciencedirect.com/) Namame, The dynamic adsorption characteristics of phenol by granular activated carbon, 2006.