SOFTWARE DE ESPECIACIÓN QUÍMICA: UNA APROXIMACIÓN ECONÓMICA Y EFECTIVA PARA EL PRETRATAMIENTO DE PLANTAS CON MEMBRANAS

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1 SOFTWARE DE ESPECIACIÓN QUÍMICA: UNA APROXIMACIÓN ECONÓMICA Y EFECTIVA PARA EL PRETRATAMIENTO DE PLANTAS CON MEMBRANAS Dr. Joan Llorens Departamento de Ingeniería Química y Química Analítica Universidad de Barcelona 1

2 CONTENIDO Objetivo Termodinámica de soluciones acuosas Funcionamiento de un software de especiación química Ejemplos: CO 2 + NH 3 + H 2 O Tratamiento de una agua de pozo que contiene boro y arsénico Predicción de rechazos en un proceso de nanofiltración 2

3 OBJETIVO Determinar cuantitativamente todas las especies químicas de un sistema, que puede contener líquidos, sólidos y gas, cuando se especifica la composición química global, la temperatura y la presión. Beneficio La información generada puede permitir ahorrar muchas pruebas de laboratorio en un proceso para optimizar un tratamiento. Las simulaciones permiten llegar más rápidamente a un optimo con menos gasto de tiempo i materiales. 3

4 TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES ACUOSAS Reactivos Productos K R = Π prod. a i ν i Π react. a i ν i Concentración estándar = 1 mol/kg disolvente = 1 molal a i = γ i m i γ i = coeficiente de actividad de la especie i m i = molalidad de la especie i Modelo BROMLEY ZEMAITIS para cálculos de coeficientes de actividad ν i = coeficientes estequiométricos todos Fuerza iónica = I = 1 2 i=1 z i2 m i A = Coeficiente de Debye-Hückel z = Carga eléctrica del ion i o j NO = Número de iones con carga opuesta al ion i B ij, C ij y D ij = Parámetros empíricos que dependen de la temperatura y de las interacciones de todos los iones, j, con carga opuesta al ion i 4

5 TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES ACUOSAS Tendencia de una sal a precipitar SCALING TENDENCY (ST) Presión osmótica ST = Π prod. a i ν i Kps Kps = producto de solubilidad de la sal Si ST < 1 la solución de la sal no está saturada Si ST = 1 la solución de la sal está saturada Si ST > 1 la solución de la sal está saturada y hay sólido precipitado o está sobresaturada y puede haber sólido precipitado o no. Π = R T Ln a H2O V H2O 5

6 EJEMPLO: CO 2 + NH 3 + H 2 O Reacciones y equilibrios químicos Balances: - NITROGENO - CARBONO - HIDRÓGENO o OXIGENO o GLOBAL W = masa de H 2 O Electroneutralidad 6

7 El simulador El simulador permite calcular múltiples propiedades termodinámicas del sistema 7

8 El simulador El simulador puede trabajar con distintos tipos de unidades. 8

9 El simulador El simulador puede manejar fases acuosas, sólidas y vapor en equilibrio. Se dispone de dos tipos de modelos termodinámicos, dependiendo del tipo de soluciones que se quieran tratar. 9

10 El simulador El simulador permite obtener soluciones aceptables hasta fuerzas iónicas de hasta 30 molal. Las bases de datos de propiedades termodinámicas incluyen más de 6000 especies con sus diversos grados de oxidación. 10

11 EJEMPLO: CO 2 + NH 3 + H 2 O Introducción de datos Resumen Report 11

12 EJEMPLO: CO 2 + NH 3 + H 2 O Report Especiación Balance elemental Tendencia a precipitar 12

13 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Datos analíticos ph = 6.7 Alcalinidad (mg HCO 3- /L) = 60.0 Objetivo: Diseñar tratamientos para poder obtener un porcentaje elevado de agua osmotizada Los tratamientos implican: Oxidar el As(III) a As(V) para mejorar su retención por la membrana en el proceso de osmosis. Rebajar el nivel calcio i carbonatos para evitar precipitaciones de sales cálcicas durante el proceso de osmosis cuando se concentra las sales en la corriente de rechazo. Elevar el ph para favorecer la retención de boro y arsénico por la membrana. 13

14 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Introducción de los datos analíticos y generación de la composición del sistema Reconciliación de cargas eléctricas, ajuste de ph y alcalinidad 14

15 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Hay 88 especies distintas 15

16 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Tendencia a precipitar Balance elemental 16

17 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Las especies neutras (H 3 BO 3, H 3 As (III) O 3, H 3 As (V) O 4 ) atraviesan las membranas de osmosis con más facilidad que las especies iónicas. En este caso se deduce que hay que oxidar el As(III) a As(V). 17

18 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Preparación del software para simular un proceso de oxidación con NaClO Chemistry Model options Redox 18

19 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Adiciones de NaClO con registro de especies que se oxidan y registro de ORP (Oxidación Reducción Potencial) Se decide introducir siempre 15 ppm de NaClO 19

20 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Adiciones de NaOH para precipitar carbonatos e hidróxidos HCO 3- + OH - CO H 2 O 20

21 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Adiciones de Na 2 CO 3 para precipitar carbonatos 21

22 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Adición de 140 ppm de NaOH y adiciones crecientes de Na 2 CO 3 para reducir el ST de sales cálcicas a ST < 1/2. 22

23 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Eliminación del precipitado 23

24 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Acidificación para reducir el ET de la sal más insoluble, carbonato cálcico, a ST < 1/2. 24

25 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO En el caso de no aplicar el tratamiento (140 ppm de NaOH y 660 ppm de Na 2 CO 3 ) hay que aumentar el ph para favorecer la retención de boro, hasta que el ET de la sal más insoluble, carbonato cálcico, sea ST < 1/2. Con tratamiento Sin tratamiento 25

26 TRATAMIENTO DE UNA AGUA DE POZO QUE CONTIENE BORO Y ARSÉNICO Agua con 16 ppm de NaClO + 26 ppm de NaOH ph = 6.8 STmáx < 1/2 Boro no ionizado Arsénico totalmente ionizado Agua con 16 ppm de NaClO ppm de NaOH ppm de Na 2 CO ppm de HCl ph = 8.9 STmáx < 1/2 Boro ionizado en un 44% Arsénico totalmente ionizado 26

27 PREDICCIÓN DE RECHAZOS EN UN PROCESO DE NANOFILTRACIÓN Influencia del ph sobre el rechazo de Cu, Ni y Fe en una solución: 0,1 mm Fe 3+, 0,1 mm Cu 2+, 0,1 mm Ni 2+, 0,1 mm Cl - y 1,5 mm de ácido cítrico. ph = 2.0 Rechazos experimentales Rechazos estimados Membrana polimérica de nanofiltración MPF-36 de Koch Criterio adoptado: R = 0 para especies neutras y especies -1 y +1. R = 1 para todas las demás especies 27

28 SOFTWARE DE ESPECIACIÓN QUÍMICA GRATUITO Visual MINTEQ 3.1 (12/2016) HYDRA/MEDUSA (12/2010) SOFTWARE DE ESPECIACIÓN QUÍMICA DE PAGO Actualmente está disponible la versión

29 Gracias por su atención 29