Seminario Ambiental 2008 Bucaramanga

Transcripción

1 Seminario Ambiental 2008 Bucaramanga Estudio de la Viabilidad de un Sistema de Detección y Caracterización de Metales Disueltos en Soluciones utilizando el Principio de la Permeabilidad Magnética W. Rodriguez, F. Pereira, C. Hernandez, J. Rodriguez IME Procesos Metalúrgicos y Reciclaje de Metales RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Bernd Friedrich

2 Agenda Objetivos Consumo del agua + - Metodología convencional Metodología propuesta Materiales y métodos Resultados obtenidos

3 Automatización del Proceso de Electrocoagulación Densidad de Corriente Fuente de Corriente + - Volt. Aguas Residuales EC Efluentes Tratados Retroalimentación Sensor EM Contenido Metálico Control de Proceso en Línea (Metodología de Bucle Cerrado): Desarrollar un sensor electromagnético para la detección de contenido iónico (metales) usando la permeabilidad magnética Permitir un ajuste de la densidad de corriente en tiempo real con el fin de optimizar el proceso del tratamiento de aguas residuales

4 Objetivo Principal y Sub-Metas Objetivo Principal: Determinar la viabilidad técnica de una metodología no invasiva para la detección de metales disueltos (contenido iónico) en aguas residuales utilizando el principio de la permeabilidad magnética Sub-Metas: Los resultados deben confirmar la adecuación de la permeabilidad magnética como principio de medida en la detección de metales El sensor debe contribuir a optimizar el tratamiento de las aguas residuales habilitando un control de proceso de bucle cerrado La metodología debe proveer soporte adicional a la protección del medio ambiente con la detección en tiempo real de contaminantes

5 Agenda Objetivos Consumo del agua Metodología convencional Metodología propuesta Materiales y métodos Resultados obtenidos

6 Consumo del Agua en Sectores Económicos Principales Meta 5: Promoción de una industria más limpia para el beneficio de todos 100% 22% 10% 8% 80% 8% 59% 60% 40% 70% 11% 82% 20% 30% 0% Mundial Industrializados Vía de Desarrollo Fuente: UNEP Agricultura Doméstico Industrial

7 Agenda Objetivos I U Consumo del agua Metodología convencional R Metodología propuesta Materiales y métodos Resultados obtenidos

8 Tratamiento Convencional vs. Electrocoagulación Precipitación Química: La remoción de metales ocurre por el ajuste del ph en la solución ph en aguas residuales con contenido metálico oscila entre 1 y 2 Agentes de uso común industrial son soda NaOH y lima Ca(OH) 2 ph necesario para la remoción total de metales es superior a 9 Electrocoagulación: Mecanismo de remoción de metales de mayor eficiencia Materiales de uso común en eléctrodos son hierro Fe y aluminio Al Formación de hidróxido metálico por hidrólisis del ánodo: Al(OH) 3 Electro-deposición en la superficie del cátodo por formación de H 2 Remoción total de metales a ph bajos alrededor del rango neutro 7

9 Métodos Convencionales para el Análisis de Metáles AASAtomic Absorption Spectroscopy: Mediciones en el rango de 1 década Requiere dilución (más trabajo) Bueno para mediciones de rutina Menores costos de operación Metodologías no aptas para realizar el Monitoreo en Línea de las Aguas Residuales Precio estimado: desde EUR ICP Inductively Coupled Plasma: Mediciones hasta el rango de ppm Medición simultánea de elementos Bueno para análisis desconocidos Mayores costos de operación Precio estimado: desde EUR

10 Lenguas Electrónicas para el Monitoreo en Línea Muestra I U Arreglo de Señales Conduct. Sistema Experto Contenido Metálico R Arreglo de Sensores Reconocimiento de Patrones Dispositivos semiconduct. que a partir reacciones electroquímicas pueden determinar la presencia de metales disueltos en la muestra Semiconductores en vidrio chalcogenide (As, Ge, Sb, Se, Ag) Principio de funcionamiento se basa en el cambio de conductividad producto de la reacción ejercida por la presencia del ion disuelto Selectividad y confiabilidad mucho menor que el ICP y el AAS

11 Agenda Objetivos I In I IOut Out Consumo del agua Metodología convencional Metodología propuesta Materiales y métodos Resultados obtenidos

12 Descripción del Sensor Electromagnético Implementado Generador de Funciones 20 Log Gain 10 [db] = Rx V s V p Tx I In I IOut Out Osciloscopio Sensor Electromagnético: Transporte del flujo magnético análogo al de un transformador Contenido iónico presente facilita el transporte del flujo magnético

13 Modelo Planteado basado en la Permeabilidad Magnética Bobina Toroide (sección) Ion tipo 1 Ion tipo 2 Ion tipo 3 Líneas de campo magnético B

14 Agenda Objetivos Consumo del agua Metodología convencional Metodología propuesta Materiales y métodos Resultados obtenidos

15 Set de Pruebas del Sensor Electromagnético Adquisición de Datos Osciloscopio Digital Generador de Funciones Sensor Electromagnético

16 Aguas Residuales Sintéticas e Industriales con Metales Tratamiento por Electro- Coagulación <1 mg/l contenido metálico Lodo residual Selectividad y Confiabilidad de la Metodología Electromagnética: Efluentes sintéticos e industriales fueron investigados con el fin de establecer la viabilidad en la detección del contenido metálico. Efluentes tratados fueron analizados para establecer el potencial de este sensor en el control del proceso de la Electrocoagulación

17 Metodología Empleada en la Investigación Empírica Muestreo Adquisición Tabulación Análisis Interpretación

18 Agenda Objetivos Consumo del agua Metodología convencional Metodología propuesta Materiales y métodos Resultados obtenidos

19 Ganancia [db] Barrido en Frecuencia para Aguas Residuales Sintéticas mg mg mg 10mg -75 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Agua Desionizada Frecuencia [MHz] Desioniz. 1mg Cu 10mg Cu 100mg Cu 1000mg Cu 1mg Ni 10mg Ni 100mg Ni 1000mg Ni 1mg Zn 10mg Zn 100mg Zn 1000mg Zn

20 Ganancia [db] Barrido en Frecuencia para un Agua Residual Industrial Frecuencia [MHz] Antes EC Después EC Después Lima Desionizada

21 Ganancia [db] Barrido en Frecuencia de Soluciones de Cloruro de Sodio Distribución Logarítmica Frecuencia [MHz] Desioniz. 1mS 2mS 3mS 4mS 5mS 6mS 7mS 8mS 9mS 10mS 11mS 12mS 13mS 14mS 15mS 16mS 17mS 18mS 19mS 20mS

22 Ganancia [db] Análisis e Interpretación de Resultados y = a ( 1 e b x ) ,5 5 7, , ,5 20 Conductividad [ms/cm] Medida Extrapolada

23 Sensor de Conductividad Inductivo InPro7250 Sensor de tipo no invasivo sin electródo Resistente a los entornos mas agresivos Amplia gama de uso en: - Industria química - Petroquímica - de la pulpa y el papel - y del cemento Insensible a corrosion y ácidos fuertes Opción ideal para el monitoreo de efluentes

24 Conclusiones Permeabilidad a Conductividad? Desde el punto de vista experimental, la permeabilidad iónica brinda un indicador del contenido iónico total de una muestra (conductiv.) A juzgar por el nuevo sensor de conductividad inductivo InPro7250 de Mettler-Toledo, la conductividad eléctrica y la permeabilidad magnética representan la misma propiedad en el rango iónico Se puede implementar la automatización del proceso con este sensor? La conductividad permite una estimación aproximada de metales presentes en la muestra a partir del contenido iónico total, siempre y cuando la composición del agua residual permanezca invariable A través de un sistema experto, el sensor electromagnético permite la implementación de una metodología de control de bucle cerrado optimizando el consumo de energía y material en el tratamiento EC

25 Perspectivas a Desarrollar Durante PROCOL 2009 Permeabilidad Magnética como Variable de Control: Dar continuidad a la metodología de bucle cerrado aprovechando los beneficios que ofrece este sensor no invasivo sin electródos Retroalimentación del Sensor hacia la Automatización del Proceso: Integración de la señal de retroalimentación a la fuente de corriente con el fin de optimizar el consumo de energía y material en la EC Densidad de Corriente Fuente de Corriente + - Volt. Aguas Residuales EC Efluentes Tratados Retroalimentación Sensor EM Contenido Metálico

26 Seminario Ambiental 2008 Bucaramanga Gracias por su atención! IME Procesos Metalúrgicos y Reciclaje de Metales RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Bernd Friedrich