Eliminación de compuestos organoclorados para potabilización de aguas mediante un proceso de adsorción - regeneración en carbón activado

Transcripción

1 Eliminación d compustos organoclorados para potabilización d aguas mdiant un procso d adsorción - rgnración n carbón activado Sotlo, J.L., Ovjro, G., Dlgado, J.A. y Martínz, I. Dpto. d Ingniría Química, Fac. d Cincias Químicas, Univ. Complutns d Madrid, España. govjro@ucmos.sim.ucm.s 1.-Introducción. Como conscuncia dl uso dl agua (industrial, agrícola o uso urbano) s produc la contaminación d ésta por la prsncia d difrnts tipos d sustancias, ntr llas, sustancias químicas como los compustos organoclorados sobr los qu s va a cntrar l prsnt trabajo. Los compustos organoclorados son ampliamnt usados, como algunos psticidas n agricultura, disolvnts, tc., y n muchos casos no s posibl su sustitución. Sin mbargo, n los últimos años s ha dmostrado qu muchos d llos tinn fctos nocivos sobr los srs vivos qu s agravan por su capacidad d acumulación n los organismos vivos. Los flunts acuosos contnindo compustos organoclorados s caractrizan por su baja concntración dada su solubilidad n agua. A psar d su baja concntración, tin una gran pligrosidad dbido a su prsistncia n l mdio y su capacidad d contaminar corrints acuosas naturals, introduciéndos n la cadna trófica d los srs vivos. Estos flunts s pudn dividir n flunts industrials cuya funt d misión stá localizada y s fácil somtrlos a trataminto, y flunts lixiviados d tirras agrícolas qu continn fundamntalmnt psticidas clorados, y cuyo orign no s ncuntra localizado. La lcción dl trataminto d un agua contaminada dpnd d factors como la naturalza d los contaminants, su concntración, volumn a tratar y toxicidad. Los métodos d trataminto disponibls son tratamintos químicos, físicos (adsorción, ósmosis invrsa,...), biológicos, oxidación húmda, incinración,...normalmnt, la combinación d varios d stos métodos prmit obtnr mjors rsultados. El trataminto más mplado para la liminación d compustos organoclorados s la adsorción n fas líquida sobr carbón activado. La rgnración dl carbón activado s muy important para hacr qu st procso sa conómicamnt atractivo. La adsorción no s un método d dstrucción d contaminants, sino un procso d concntración. En l prsnt trabajo s prsnta una rvisión d los procsos d liminación d compustos organoclorados d aguas mdiant l mplo d la adsorción n carbón activado y su rgnración postrior. 2.- Fundamnto tórico Adsorción. D forma gnral s pud dfinir la adsorción como un fnómno suprficial qu implica a un adsorbato y un adsorbnt dbido a la aparición d furzas d intracción ntr ambos. En l procso d dscontaminación d aguas con carbón activado l mcanismo d adsorción implicado s d tipo físico fundamntalmnt, lo cual prmit dsorbr l contaminant una vz qu s ha agotado la capacidad dl adsorbnt gracias al caráctr rvrsibl d st tipo d adsorción. Un parámtro d spcial importancia n l disño d sistmas d liminación d contaminants mdiant adsorción s la capacidad dl adsorbnt, la cual dpnd d muchos factors. En primr lugar s ncuntran las propidads dl adsorbato tals como su gomtría, tamaño molcular, polaridad, hidrofobicidad, grupos funcionals qu contin y su solubilidad n agua. En sgundo lugar s pudn citar las condicions d la disolución tals como su ph, tmpratura, concntración dl contaminant, furza iónica y solutos comptitivos. Por último s pudn citar las caractrísticas dl carbón, qu incluyn l ára suprficial, la distribución d tamaños d poro, la distribución d grupos funcionals n la suprfici y l contnido n 253

2 cnizas. Otro aspcto important para dscribir l procso d adsorción s la proposición d modlos qu xpliqun l comportaminto d las fass involucradas n l quilibrio, l cual stá rlacionado con la capacidad d adsorción dscrita antriormnt. El stado d quilibrio pud dscribirs como l rsultado d un procso dinámico d adsorción-dsorción. La rprsntación más habitual dl quilibrio dsd l punto d vista práctico s mdiant la isotrma d adsorción qu s la función qu rlaciona la concntración n l adsorbnt frnt a la concntración n la fas acuosa, mantnindo constant l rsto d variabls involucradas (P, T, ph, tc.). A continuación s prsntan, como jmplos d cuacions para dscribir las isotrmas d quilibrio para un solo componnt, la isotrma d Langmuir (Ecuación [1]), d orign tórico, y la isotrma d Frundlich (Ecuación [2]), d orign mpírico: n n n0 K c = 1+ K c F 1 n F [1] = K c [2] dond n y c rprsntan las concntracions d quilibrio n l adsorbnt y n la fas líquida, rspctivamnt, K s la rlación ntr las dos constants cinéticas d adsorción y dsorción, n 0 s la concntración d saturación dl adsorbnt. Los parámtros K F y n F son constants mpíricas qu dpndn dl sistma. Para trminar con la dscripción tórica dl procso s ncsario comntar l aspcto cinético dl sistma. Durant l procso d adsorción y dbido a la structura porosa dl adsorbnt, l adsorbato pasa por una sri d tapas dsd l sno d la disolución hasta alcanzar la suprfici intrna dl adsorbnt: 1.- Transfrncia dl adsorbato dsd l sno d la disolución hacia la suprfici d las partículas d adsorbnt. 2.- Difusión d las moléculas d adsorbato por l intrior d los poros dl adsorbnt(microporos y macroporos). 3.- Adsorción sobr la suprfici intrna dl adsorbnt. El modlo mplado para dscribir la cinética dl procso dpnd dl tipo y caráctr d la instalación mplada (tanqu agitado, lcho fijo, adsorbnt granular, adsorbnt n forma d polvo, tc.). Por otro lado, l modlo pud variar ntr riguroso y simplificado dpndindo dl númro d suposicions considradas a la hora d llvar a cabo l disño d la instalación. Así, por jmplo, para un sistma n tanqu agitado con adsorbnt n forma d polvo, s pud considrar qu la tapa controlant dl procso s la transfrncia d adsorbato dsd la disolución a la suprfici d las partículas, d modo qu la cuación d disño rsultant s: dond V s l volumn d la disolución, W la masa d adsorbnt, C la concntración d V dc 3W ( ) dt PR k C C * = L [3] ρ adsorbato, R l radio d la partícula supusta sférica, ρ p la dnsidad d las partículas, C * s la concntración d quilibrio n la suprfici d las partículas y k L s l coficint d transfrncia d matria. La condición d contorno s dduc d la situación inicial, s dcir, para t= 0, C= concntración inicial. Para otros sistmas n los qu s ncsario tnr n cunta la difusión dl adsorbato n las partículas d adsorbnt s mpla la ly d Fick: dc J = D() c [4] dx dond J rprsnta l flujo d adsorbato por unidad d timpo y ára, D(c) s l coficint d difusión, c s la concntración d la fas líquida n los poros dl adsorbnt y x s la 254

3 coordnada spacial. Como rsultado d la combinación d los difrnts tipos d suposicions mpladas para dscribir l sistma s pudn mplar difrnts modlos, d los cuals xist una xtnsa rvisión n la bibliografía (Ruthvn, 1984; Suzuki, 1990) Rgnración dl carbón activado saturado. El fundamnto tórico d la rgnración dl carbón activado s l mismo qu s ha visto antriormnt para la adsorción tnindo n cunta qu s l procso invrso. Sindo la adsorción un procso favorcido por la disminución d la tmpratura y d la prsión, s va a tratar d lograr la dsorción d las sustancias adsorbidas con un aumnto d la tmpratura o bin una disminución d la prsión. Algunos procsos logran también la rducción d los contaminants mdiant dscomposición térmica, dgradación por microorganismos, oxidación, tc. Los métodos más utilizados para la rgnración dl carbón activado saturado son trataminto biológico, xtracción con disolvnt y rgnración térmica. El trataminto biológico no s posibl cuando los contaminants s ncuntran n nivls tóxicos para l lodo activo o son no biodgradabls. La xtracción con disolvnt no s conómicamt viabl a mnos qu l compusto adsorbido tnga un alto valor añadido. La rgnración térmica y la oxidación húmda dan lugar a la rgnración dl carbón y la dstrucción d los contaminants adsorbidos simultánamnt. En l primr método s produc la dscomposición térmica d los contaminants y l sgundo comprnd una rgnración térmica y una oxidación con air qu transcurr por un mcanismo d radicals librs. En la oxidación húmda xist un alto grado d rstauración d las propidads y d la structura porosa dl carbón original., con xcpción d la suprfici dbida a poros d tamaño infrior a 10Å. El carbón rgnrado tin un contnido inorgánico, n oxígno, hidrógno y nitrógno más alto, mayor ára suprficial y volumn d poro d tamaño suprior a 37 Å d diámtro, tamaño d partícula más pquño y mayor dnsidad ral qu l carbón virgn (Mishra y col., 1995). En la rgnración dl carbón activado por oxidación húmda ocurrn las siguints tapas: 1.- Dsorción d las spcis adsorbidas dsd la suprfici activa dl carbón. 2.- Transfrncia d matria dsd la suprfici intrna dl carbón activado a la suprfici xtrna d la partícula d carbón activado (difusión intrapartícula). 3.- Transfrncia d matria dsd la suprfici xtrna d la partícula al sno dl líquido (difusión n la plícula). 4.- Transfrncia d matria dl oxígno dsd l sno dl gas a la fas líquida. 5.- Racción ntr l oxígno disulto y l adsorbato. 3.- Tcnologías stablcidas. D forma gnral, todos los quipos xistnts para l trataminto d aguas mdiant adsorción, constan d dos parts: l sistma d contacto dond s llva a cabo la adsorción y un sistma d rgnración para prmitir la rutilización dl carbón activado. A continuación s prsnta una dscripción d los tipos d tcnología más mplados n la actualidad para la liminación d compustos organoclorados, distinguindo ntr las tapas d adsorción y d rgnración. 255

4 3.1.- Tcnologías stablcidas para la tapa d adsorción. S clasifican n función dl sistma d contacto ntr la fas acuosa y l carbón activado, d modo qu xistn sistmas n discontinuo o tanqu agitado, sistmas smicontinuos o d lcho fijo y sistmas continuos. En la opración n tanqu agitado, una cantidad prdtrminada d carbón activo n forma d polvo (PAC) s mzcla con la fas acuosa durant un priodo d timpo y postriormnt s spara por filtración o sdimntación. La flxibilidad d st procso lo hac adcuado para muchas aplicacions, y n particular para la potabilización d aguas qu continn un bajo nivl d contaminant l cual pud variar stacionalmnt. El pquño tamaño d partícula (<44µm) prmit una alta vlocidad d adsorción y timpos cortos d contacto. En situacions n las qu s rquirn lvadas cantidads d carbón convin utilizar un sistma con varias tapas qu prmit rducir l uso d carbón, tal y como mustra la Figura 3.1. La opración n lcho fijo s mpla normalmnt n instalacions a gran scala, dond l fluido pasa d forma continua por un lcho TANQUE DE MEZCLA mpacado d carbón activo. En stas instalacions s usa carbón activado granular (GAC) con un intrvalo d tamaños qu oscila ntr 0,55 y 1,35 mm, pusto qu st tamaño prmit un bun compromiso ntr la vlocidad d adsorción y la pérdida d carga dl lcho. La opración n columna prmit una utilización más ficint dl carbón activo, ya qu s aprovcha toda la capacidad adsorbnt dl carbón. Una vz qu l carbón s agota s rmplaza por carbón frsco. Un squma d una columna d adsorción n lcho fijo s mustra n la Figura 3.2. Agua d lavado Entrada y salida dl carbón Figura 3.2. Suprfici d lavado Suprfici dl lcho d carbón Arna Grava Filtro Salida agua LIQUIDO SIN TRATAR FILTRO CARBÓN USADO DOS VECES A REGENERAR CARBÓN USADO EN UNA ETAPA Figura 3.1 LÍQUIDO TRATADO EN UNA ETAPA TANQUE DE MEZCLA FILTRO CARBÓN FRESCO LÍQUIDO PURIFICADO En los sistmas d contacto n continuo, también dnominados lchos móvils, la fas a tratar s introduc por la part infrior dl lcho d adsorción y s hac fluir hacia la part suprior, mintras qu l carbón usado s liminado por la part infrior introducindo un volumn igual d carbón frsco por la part suprior d la columna. El comportaminto d stos lchos móvils s l mismo qu l d un conjunto d lchos fijos oprando n sri. Est tipo d sistmas s adcuado n aqullos casos n los qu s usan grands cantidads d carbón Tcnologías stablcidas para la rgnración dl carbón activado. Las tcnologías qu s ncuntran más ampliamnt dsarrolladas y qu s aplican comrcialmnt para la rgnración dl carbón activado son: trataminto térmico, trataminto biológico y xtracción con disolvnt. Estas técnicas s dscribn a continuacion n la siguint tabla: 256

5 PROCESO DESCRIPCIÓN VENTAJAS DESVENTAJAS REFERENCIA TÉRMICO BIOLÓGICO EXTRACCIÓN CON DISOLVENTE S calinta con una corrint d gas n un horno multipl chimna típico a una T ntr ºC El carbón activado contin bactrias n sus macroporos Dsplazaminto d la sustancia adsorbida mdiant una corrint líquida o gasosa. +Para fas gas o líquida +Espcis furtmnt adsorbidas +Rcupración d sustancias n alta concntración +Mayor timpo d vida dl carbón activado +Mayor ficacia n la rducción d matria orgánica +Ciclos rápidos +Sólo hay prdida d capacidad n los primros ciclos -Elvado cost -Altas tmpraturas: no pud sr in situ -No s útil n ciclos rápidos -Pérdida d capacidad -La actividad biológica sin control da lugar a una suprproducción d biomasa, y s ncsaria una furt dsinfcción postrior. -No hay dstrucción dl contaminant -Elcción dificil dl disolvnt -Disolvnts: son caros y suln sr nocivos Ruthvn, 1984 Scholz y Martin, 1997 Ruthvn, Tcnologías n dsarrollo Tcnologías n dsarrollo para la adsorción n carbón activado El trataminto dl agua mdiant carbón activado s raliza habitualmnt mdiant l mplo d st adsorbnt n forma granular o n forma d polvo. No obstant, n los últimos años s han buscado otras formas d mplo dl carbón activado qu prmitan rducir l costo dl trataminto. Dos jmplos d llo son las fibras d carbón activado (ACF) (Basqut y Cloirc, 1997) y las mmbranas obtnidas con st matrial (Sakoda y col., 1996). Las fibras d carbón activado s obtinn mdiant pirólisis d fibras d matrials poliméricos como l poliacrilonitrilo, clulosa y rsinas fnólicas, así como a partir d rsiduos psados dl ptrólo. Estas fibras s disponn n forma d tjido ants dl procso d activación. Sus caractrísticas más significativas son qu prsntan una lvada vlocidad d adsorción, suprior a la dl carbón granular, y admás, la disposición d sus macroporos n la suprfici d la fibra prmit una mnor rsistncia a la transfrncia xtrna. Las mmbranas d carbón activado s obtinn a partir d plículas d polímros como polivinilalcohols y l policloruro d vinilidno, soportadas sobr matrials crámicos. El procso d trataminto mdiant st tipo d mmbranas prmit ralizar n una única tapa l procso d adsorción dl contaminant y la filtración dl flunt. Sin mbargo, sta técnica s ncuntra n fas xprimntal y s ncsario mjorar l procso d activación d la mmbrana para suprar la ficacia dl carbón activado granular (Sakada y col., 1996.) Tcnologías n dsarrollo para la rgnración dl carbón activado. Para paliar las dsvntajas dl trataminto térmico n la rgnración dl carbón activado s han dsarrollado nuvas tcnologías como son la rgnración con vapor d agua, oxidación catalítica y utilización d microondas. El procso d rgnración con vapor d agua s un trataminto intrmdio ntr l trataminto térmico y la xtracción con disolvnt. S hac pasar una corrint d agua a lvada tmpratura ( ºC) a través dl lcho d carbón activado durant una hora aproximadamnt. El agua a lvada tmpratura tin xclnts propidads como disolvnt, a dmás la tmpratura d opración s rlativamnt baja rspcto a la 257

6 rgnración térmica, y la structura dl carbón y sus propidads s vn poco afctadas (Salvador y col., 1995). En la rgnración por oxidación catalítica l carbón activado s modifica con óxidos d mtals activos catalíticamnt. La tmpratura dl air calint stá ntr ºC, qu s rlativamnt baja y prmit llvar a cabo la rgnración in situ y n unidads pquñas, lo qu hac más conómico l procso. S spra qu san posibls un gran númro d ciclos d adsorción-rgnración sin pérdidas d capacidad. Sin mbargo disminuy l ára suprficial dl carbón activado dbido a la imprgnación con óxidos y s pud producir dilución d mtals y prsncia d éstos n los flunts (Matatov-Mytal y Shintuch, 1997). S studia la posibilidad d utilizar radiación microondas n l procso térmico, s irradia la mustra n un horno microondas doméstico. Est método prmitiría la rgnración dl carbón activado n polvo y daría ciclos más rápidos d adsorción-rgnración (Fang y Lai, 1996). Frnt a la xtracción con disolvnt s stá dsarrollando la xtracción con fluidos suprcríticos (SFE), prfrntmnt dióxido d carbono (T c =31,1 ºC), dbido a las xclnts propidads d solubilidad y difusividad. En sta técnica no hay rsiduos d disolvnt ya qu s pud rcuprar y s obsrva qu no disminuy la capacidad d adsorción dl carbón activado. Est procso tin cirtas dsvntajas, como qu l contaminant sólo s concntrado, s ncsita una lvada prsión y l cost s lvado (Tomasko y col., 1993). Una aplicación d la oxidación húmda s la rgnración d carbón activado saturado. Esta técnica rgnra l carbón y simultánamnt dstruy los contaminants adsorbidos. Para la rgnración por oxidación húmda l lodo d carbón activado (5-10% sólidos) s somtido a oxidación húmda con air, a una tmpratura ntr ºC. Las vntajas d st trataminto son qu supon la rgnración dircta dl lodo sin pérdidas d agua, no hay misions d partículas, las pérdidas d carbón activado son infriors al 7%, pud sr autosostnida y su cost s rlativamnt infrior a la rgnración térmica (Mishra y col., 1995). 5.- Bibliografia. - BRASQUET, C. y CLOIREC, P.L., Adsorption onto activatd carbon fibrs: application to watr and air tratmnts, Carbon, 1997, Vol. 35, No.9, pp FANG, C.S. y LAI, P.M.C., Microwav rgnration of spnt powdr activatd carbon, Chm. Eng. Comm., 1996, Vol.147, pp FAUST, S.D., y ALY, O.M., Adsorption procsss for watr tratmnt, Ed. Buttrworth Publishrs, MATATOV-MEYTAL, Y.I. y SHEINTUCH, M., Abatmnt of Pollutants by Adsorption and Oxidativ Catalytic Rgnration, Ind. Eng. Chm. Rs., 1997, 36, MISHRA, V.S., MAHAJANI, V.V y JOSHI, J.B., Rviw. Wt Air Oxidation, Ind. Eng. Chm. Rs., 1995, 34, RUTHVEN, D.M., Principls of adsorption and adsorption procsss, Ed. John Wily & Sons, Inc., SAKODA, A., NOMURA, T. y SUZUKI, M., Activatd Carbon Mmbran for Watr Tratmnts: Application to Dcolorization of Cok Furnac Wastwatr, Adsorption, 1996, 3, SALVADOR, F., SÁNCHEZ-JIMÉNEZ, C. y MERCHÁN, M.D., A nw mthod for th rgnration of activatd carbon, Coal Scinc, Vol. II, Editd by Pajars, J.A. and Tascón, J.M.D., Ed. Elsvir, SCHOLZ, M. y MARTIN, R.J., Ecological quilibrium on biological activatd carbon, Wat. Rs., 1997, Vol. 31. No. 12, pp SUZUKI, M., Adsorption Enginring, Ed. Elsvir, TOMASKO, D.L., HAY, K.J., LEMAN, G.W. y ECKERT, C.A., Pilot Scal Study and Dsign of a Granular Activatd Carbon Rgnration Procss Using Suprcritical Fluids, Env. Prog., 1993, Vol. 12 No. 3, ORDOÑEZ, S., SASTRE, H. y DIEZ, F.V., Emisions d disolvnts clorados ligros. Problmática mdioambintal y tratamintos, Ingniría Química, Enro 1997,