Makers of OilSorb™ and Other State-of-the-Art Filtration Media
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REVISTA INTERNACIONAL DE AGUA E IRRIGACION Eliminación de aceites de aguas residuales con organoarcilla George R. Alther Biomin, Inc., Ferndale, MI 48220, USA Introduccion Los ingenieros de tratamiento de aguas residuales y los especialistas en aaneamiento de aguas subterráneas enfrentan constantemente el problema de la presencia de grasas, aceites y lubricantes (en inglés FOG = fats, oils, and greases), que deben eliminarse para cumplir con los límites de emisión o porque recubren otros materiales o elementos de los evaporadores Ǽ La eliminación de los FOG puede ser simple si no están emulsionados, es decir, si flotan como una película en la superficie del agua. Después de todo, los aceites y el agua no se mezclan, ¿no es cierto?' Si y no. Pueden emulsionarse mecánicamente, en cuyo caso, si las aguas residuales se dejan decantar en un tanque durante cierto tiempo, la mayor parte de los aceites afloran a la superficie. Sin embargo, parte puede quedar en el agua, si los glóbulos son lo suficientemente pequeños. ¿Qué hacer? Si el aceite contiene un emulsionante que se había añadido para que se disolviese en el agua, se encuentra químicamente disuelto o emulsionado y habá que añadir sustancias químicas para separarlo del agua. Si no se eliminan, los FOG pueden constituir un estorbo costoso, ya que recubren tuberías, materiales filtrantes tales como carbón activado granulado, filtros de arena, resinas de intercambio iónico, materiales de purificación de aire y membranas de unidades de ultrafiltración y ósmosis inversa. El recubrimiento de FOG impone cambiar y limpiar frecuentemente los materiales. Sin embargo, ]as membranas más nuevas tienen un mecanismo de flujo cruzado, por lo que los aceites no ciegan los poros, es decir, no provocan contaminación. Así y todo, todavía hay que encargarse del concentrado que se acumula durante el funcionamiento, que puede requerir un costoso acarreo de agua (US$ 1 a 15c por galón). Dicho concentrado cubre también los elementos calefactores de los evaporadores, lo que hace necesario limpiar y eliminar este aceite con frecuencia. Consideremos el siguiente libreto: Ud. se atiene al límite de tolerancia de emisión de aceites (digamos 50 ppm). El contenido de aceites del agua que Ud. vierte es de sólo 30 ppm. Ud. no tiene por qué preocuparse ¿ciertoǿn No! Ud. está infringiendo el límite de tolerancia de DQO (demanda química de oxígeno). El límite es de 50 ppm y Ud. está vertiendo 65 ppm. Los aceites son una parte de la DQO, que comprende todos los compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden oxidarse. Por lo tanto, si Ud. elimina la mitad de los aceites está cumpliendo la norma. La DQO puede ser resultado de la presencia de alcohol etílico u otro compuesto volátil difícil de eliminar. La DQO se define como la cantidad de oxígeno, expresada en ppm, que se consume en condiciones específicas para la oxidación de la materia orgánica e inorgánica contenida en las aguas residuales o subterráneas. La DQO (demanda bioquímica de oxígeno) incluye también los aceites. Ella calcula el grado de contaminación de los suministros de agua, especialmente los contaminados por aguas negras y vertidos industriales, y se expresa como la cantidad de oxígeno disuelto (en mg/I) necesaria durante la estabilización de la materia orgánica descomponible por acción bioquímica aeróbica, generalmente medida antes y después de un periodo de incubación de cinco días. El carbón funciona bien, pero el aceite ciega rapidamente sus poros, por lo cual no es rentable de emisión de aceites en aguas superficiales a 10 ppm y es probably que se establezcan límites aun más bajos. Cualquier instalación que pretenda reciclar sus aguas y llegar a una emisión nula debe solucionar el problema de los aceites en las aguas residuales. Para un resultado satisfactorior se requieren ciertos conocimientos básicos acerca de los aceites, sus fuentes y composición química, y de las tecnolagías necesarias para separarlos del agua. La primera pregunta que un ingeniero debe plantearse siempre en presencia de aceites es: ¿Qué clase de aceite es? Si no intenta contestar esta pregunta, puede que tenga suerte y escoja el método de separación apropiado y si no, tropezará con problemas inmediatos. Cuáles son los métodos utilizados por el ingeniero para separar los FOG? Hay métodos mecánicos como los coalescedores de aceites, flotación mediante aire disuelto y despumadura. Los métodos químicos comprenden coagulantes y floculantes, que incluyen la bentonita, mezclas de bentonita y electrolitos, y polímeros. Ninguno de estos métodos logra resultados efectivos con menos de 10 ppm de aceites. Los polimeros no son económicos en niveles de menos de 30 ppm. Muchos ingenieros usan el carbón activado como agente limpiador: el carbón funciona bien, pero el aceite ciega rápidamente sus poros, por lo cual no es rentable. El nuevo método es el que utiliza la arcilla orgánicamente modificada u organoarcilla. La organoarcilla es una mezcla de bentonita recubierta de aminas cuaternarias. Las cadenas amino se proyectan en el agua y separan eI aceite por particiónǼ Para entender a fondo de qué se trata, debemos definir primero los términos. ¿Que es el aceite? Definición de petróleo crudo El petrólio crudo es una mezcla de unus 100,000 compuestos químicos líquidos, principalmente hidrocarburos. Los componentes principales varían desde los hidrocarburos poliaromáticos casi insolubles en agua hasta los BTEX parcialmente hidrosolubles. Dichos compuestos comparten una cierta medida de hidrofobicidad y son de naturaleza no polar. Cuando se vierte petrólio crudo en el agua, las moléculas parcialmente hidrosolubles tienden a adherirse a Ios demás hidrocarburos más que a disolverse en el agua. EIIo se basa en el principio de que "los semejantes disuelven a los semejantes..” Las moléculas de agua altamente polares expulsan a los hidrocarburos más o menos no polares, lo que da como resultado dos fases líquidas separadas. Una analogia del petróleo crudo sería una mezcla de agua y varios alcoholes ligeros, no más grandes que el alcohol propilico. AI verter la mezcla, dichos compuestos no se disocian y no se mezclan con el agua sino que se mantienen juntos. También este fenómeno se basa en el principio de que "los semejantes disuelven a Ios semejantes.” El petrólio crudo se compone principalmente de carbono e hidrógeno. El oxígeno, el azufre, el nitrógeno y algunos metales también estan presentes en pequeñas cantidades. Los principales hidrocarburos son: I. Alifáticos, es decir∫ 1. Alcanos (parafinas),desde CI-C35 hasta 50 o más. 2. Cicloalcanus (naftalenos), también denominados naftenos. que son hidrocarburos saturados que contienen estructuras con átomos de carbono enlazados en anillo. Il. Aromáticos, que incluyen el benceno, los derivados del benceno (alquibencenos) y los compuestos de anillo bencénico combinado tales como los hidrocarburos polinucleares aromáticos. El aceite y el agua no se mezclan, eI aceite fluye en la suprficie o se emulsiona. Por lo que concierne a la EPA, de acuerdo con el Método 1664 de la EPA, el aceite y la grasa es el material extraido de agua producida a pH 2 y que queda una vez que se ha evaporado el solvente. Por supuesto que además del petrólio crudo hay muchos otros aceites, tales como los aceites minerales, los vegetales, las grasas animales y los aceites esenciales. Éstos se encuentran con menor frecuencia en los vertidos industriales corrientes. Tipos de aceites presentes en las aguas residuales 1.. Aceite libre: El aceite aflora rápidamente a la superficie cuando el agua no se mueve. El tamaño de la gotita es de 150 micras. Este aceite se presenta como una película y puede separarse mediante una despumadora o un vertedero de desbordamiento, hasta †∞∞±†ppm. EI aceite restante se elimina con organoarcilla granulada colocada dentro de un adsorbente de carbón activado. 2. Aceite emulsionado mecánicamente: El tamaño de estas gotitas de aceite es de 20 a 150 micras. EI aceite emulsionado mecánicamente flota dentro del agua y es estabilizado por cargas eléctricas y otras fuerzas. Estos aceites se mezclan con el agua por la†aplicación de altas fuerzas de cizallamiento, tales como las que se producen al pasar a traves de bombas y reducirse el tamaño de las gotitas de aceite. En el agua subterránea, la presion de confinamiento tambien puede forzar la emulsion del aceite. Este†aceite se separa facilmente mediante coalescedores y organoarcilla. 3. Aceite emulsionado quimicamente: Los agentes tensioactivos o surfactantes Ilegan a las aguas residuales como jabones y estabilizan la emulsion. Poseen un extremo hidrofilo y otro oleofilo, lo que permite que parte de la molecula se encuentre en el agua y el resto dentro de la gotita de aceite. El tamano de las gotitas de aceite es menor de 20 micras. El color de las aguas contaminadas de este tipo es generalmente blanco, lo que augiere que la emulsion debe fraccionarse por medio quimicos. El origen de estos aceites se encuentra comunmente en los fluidos de maquindao de metal, refrigerantes, lubricantes, aceites para motores y otros. 4. Aceites disueltos: Estos tipos incluyen los BTEX y los compuestos fenolicos. Las moleculas son menores de 5 micras y son extraidas principalmente por carbon activado. El agua es generalmente translucida o transparente si las cantidades son pequenas. 5. Solidos humedecidos por aceites: Esta categoria encloye los aceites que se adhieren a los sedimentos y otras particulas habituales en los vertidos. El aceite se extrae mediante separadores de aceite/agua o prensas de filtrado y filtros de bolsa. El agua se limpia luego con organoarcilla (Braden, 1991). Que es una emulsion? El aceite se emulsiona mecanica o quimicamente: en ambos casos se devide en pequenas gotitas que se dispersan en el agua. Cuanto mas pequenas sean las gotitas, mas estable sera la emulsion. En las emulsiones mecanicas, las gotitas se ponen en contacto, coalescen y suben a la superficie. En las emulsiones quimicas, se anade un emulsionante, tal como un tensioactivo o surfactante, detergente o jabon. El extremo hidrofilo del tensioactivo es polar y tiende a disolverse en agua. El extremo oleofilo es no polar y por ello “se siente a gusto” en presencia de aceite, o sea que “los semajantes se disuelven en los semajantes.” Por lo tanto el tensioactivo actúa como elemento de union entre el agua y el aceite. Dado que existe una carga en el extremo hidrofilo del tensioactivo, cuando las gotitas de aceite se acercan se rechazan, lo que evita la coalescencia. Para separar el aceite del agua se debe neutralizar la carga. Por consiguiente, una emulsion es un sistema heterogeneo que consiste en por lo menos un liquido inmiscible disperso de manera inmediata en otro, en forma de gotitas cuyo diamentro es mayor que 0.1 micras. Descripción de las arcillas orgánicamente modificadas Las arcillas organicamente modificadas se fabrican recubriendo la superficie de plaquetas de montmorillonita con aminas cuaternarias. Este proceso convierte a la arcilla en hidrofoba y organofila. Las aminas cuaternarias, que son un tensioactivo, tienen un ion nitrogeno cargado positivamente en un extremo, que se une a la superficie de la arcilla al substituir los iones de sodio, calcio y magnesio mantenidos en la superficie de la arcilla por intercambio ionico con fines de equilibrio electrico (Lagaly, G., 1984), El otro extremo es neutrol, comunmente rodeado por un ion halogeno tal como el cloro o el bromo. Esta parte del tensioactivo se extiende en el agua y se particiona dentro de las gotitas de aceite y otros compuestos organicos de baja solubilidad. Por consiguiente,una organoarcilla es un tensioactivo con una base solida. Dichas organoarcillas tambien extraen PNA, PCB y otros hidrocarburos (Mortland et al., 1986). La organoarcillas se utilizan en forma de polvo en los sistemas de procesamiento por lotes o granuladas en los sistemas de flujo continuo, como los adsorbentes de carbon o los filtros de arena. Para la separacion de aceites, la organoarcilla se mazcla con antracita a fin de extraer las gotitas grandes de aceite y mantener los espacios intersticiales do los poros abiertos por mas tiempo. Las organoarcillas extraen hasta el 60% de su peso en aceite, siete veces mas que el carbon activado. El carbon activado se ciega, es decir que los poros son taponados por las gotitas de aceite y otras sustancias organicas de gran taman, alto peso molecular y baja solubilidad. La organoarcilla tiene afinidad por dichas moleculas y no se obtura porque la reaccion de particion se produce fuera de la plaquetas de arcilla. La organoarcilla actua como agente prelimpiante del carbon activado, las resinas de intercambio ionico y las membranas. A continuacion se presentan casos ilustrativos de los resultados del empleo de organoarcillas. Casos ilustrativos 1. Un fabricante tenia 3% de aceite en sus aguas residuales, que eran de color blanco con una fina capa amarilla en la superficie. En primer lugar, las tecnicas convencionales de fraccionamiento de emulsiones no conseguian fraccionar todo el aceite, por lo que la clarificacion con carbon activado resultaba antieconomica. La cadena de tratamiento consistia en un separador de aceite/agua que incluia un tanque de reaccion para el fraccionamiento de la emulsion, seguido de filtros de bolsa y un recipiente de carbon activado. A raiz de los gastos en carbon, el gabricante estaba considerando acarrear el agua a una planta de tratamiento. Cuando se utilizo organoarcilla en un adsorbente, seguida de carbon activado granulado, el contenido de aceite se redujo a menos u ppm; el sistema tiene que ser renovado anualmente y el fabricante puede reciclar el agua de manera satisfactoria. 2. En un proyecto de limpieza de agua subterranea un una base aerea, el agua de los tanques de almacenamiento subterraneous situados en las cercanias contenia unos 1000 ppm de aceite. El agua entraba primero en un tanque de decantacion, donde permanecia en reposo por varias horas. Una gran parte del aceite afloraba a la superficie pero 200 ppm permanecian en solucion. La mancha flotante era despumada y el agua pasaba a traves de un tanque de 55 galones que contenia 250 libras de organoarcilla, del cual salia con una concentracion remanente de menos de 5 ppm de aceite. La organoarcilla tuvo que ser cambiada despues de extraer unas 130 libras de aceite. 3. Tres industrias de Kentucky que no estan conectadas al sistema de alcantarillado deben atenerse a un limite de emision de aceites y grasas de 5 ppm. El origen del aceite es el agua de lvado de la fabricacion de tuberias y gabinetes. El agua pasa primero por un filtro de bolsa de polipropileno de 10 micras, seguido de un tanque de 55 galones con 250 libras de organoarcilla. A la entrada, el agua contiene 30-50 ppm de aceite y grasa, a la salida contiene 2 ppm de aceite, con lo que se cumplen todas las normas de emision. 4. En Alasa, en el sitio de lavado de vehiculos de un Regimiento de Ingenieros, el agua subterranea estaba contaminada con gasoleo (gasoil). En el sitio se instalaron tres adsorbentes llenos de carbon activado, en serie; el gran cambio sobreviono dos dias despues, cuando tuvo que reemplazarse el carbon y se instalaron tres adsorbentes llenos de organoarcilla/antracita antes del carbon. El sistema funciono durante tres meses hasta concluir la limpieza (la organoarcilla no se habia agotado aun). La organoarcilla extrajo los compuestos organicos mas pesados y el carbon los compuestos volatiles mas ligeros. 5. La aplicacion mas importante se realizo en la Base Hillss de la Fuerza Aerea de los EE.UU. en Utah, donde tres tanques de mexcla de organoarcilla/antracita protegen cuatro columnas de carbon activado granulado. El agua que se procesa proviene del lavado de los aviones a reaccion y la excorrentia de la lluvia. Los trabajos de decapado de pintura, desgrasado y galvanizado general hidrocarburos tales como aceite, grasa, tetracloroetano, 1,1,2-tricloroetano, clorformo, cloruro de metileno y metals pesados, que tambien se eliminan empleando organoarcilla y carbon activado. Este sistem tiends a durar dos anos antes de que se requiera renovarlo. Estas breves resenas de casos demuestran que es necesario evaluar lo totalidad del sistema de tratamiento en uso, examinar a fondo las aguas residuales y ensayar diversos metodos de tratamiento para otimizar los resultado con un precio minimo. Conclusiones Numerosos casos son testimonio de que la organoarcilla/antracita como agente prelimpiante del carbon activado, las resinas de intercambio ionica, las membranas y otros medios, puede reducir significativamente los gastos de funcionamiento y los inconvenientes para el usuario final de los sistemas de tratamiento de aguas, es decir, el que paga las cuentas. La post-clarificacion de las aguas residuales despues de aplicar sistemas DAF (flotacion por aire disuelto), coalescedores y despumadura hace que las aguas de condensacion de calderas como de aguas subterraneas de pozo, de prueba hidrostatics, de proceso, etc. Los resultado de las pruebas de labortario y en el terreno demuestran que cuando las aguas residuales o subterraneas se contaminan con numerosos compuestos de baja solubilidad y compuestos mas volatiles, la serie organoarcilla/carbon activado es mucho m s eficiente y economica que el uso de cada metodo por separado. Las arcillas organicamente modificadas han demostrado ser el “eslabon perdido” de los sistemas efectivos y economicos de tratamiento de agua. |
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