MX0600134 instituto nacional de investigaciones nucleares "Z W O H O W o a g o > m M O *T] H M 0 < > > O 01 O O M co CO ^E> ^Ü M O pa o o o > M R tr 1 2! O M H en hd O = f H W > O to M o > CENTRO DE INFORMACIÓN Y DOCUMENTACIÓN NUCLEAR
INSTITUTO NACIONAL DE INVESTIGACIONES NUCLEARES DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO INFORME FINAL DEL PROYECTO "REGENERACIÓN DE CARBON ACTIVADO USADO EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. " GERENCIA DE INVESTIGACIÓN APLICADA INFORME TÉCNICO IA-92-04 ENERO DE 1992
INFORME FINAL DEL PROYECTO "REGENERACIÓN DE CARBON ACTIVIDO USADO EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES." I. Martínez M., y V\ Hernández M. Gerencia de Investigación Aplicada Dirección de Investigaciones Nucleares Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares INFORME TÉCNICO IA-92-04 ENERO DE 1992
INFORME FINAL DEL PROYECTO "REGENERACIÓN DE CARBON ACITVADO USADO EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE ÍGUAS RESIDUALES ISIDORO MARTINEZ MERA VICTOR HERNANDEZ MAGADAN IN
BASES La tecn,ologia que se ha estado usando o a r a reactivar carbón emplea hornos de varios tipos. En los hornos y por acción de temperaturas que oscilan entre 25C 3 800 C se oxidan los contaminantes y se desadsorben de los poros del carbón. Con esta tecnología se generan gases de C ~ 9. se queman combus- tibles fósiles para generar calor, el J S O del calor es poco eficiente y se pierde 20% del carbón :Je se somete a reactivación. Entre los nuevos métodos usados para e a c t i v a r carbón, están el que usa luz infrarroja y el que er:lea electrones acelerados. La tecnología en ambos procesrs es novedosa, la ener gía se emplea más eficientemente, no se pierde más de 5% de carbón y son menos contaminantes. METODOLOGÍA Se pesan 10 gramos de carbón, se agre:a la cantidad de agua que corresponde. El carbón se coloca en el dispositivo de irradiación y éste se lleva frente al irradiador a 6 cm de la ventana de titanio y en el centro :el haz de electrones. Se arranca el sistema de oxigenación ;e agua y se espera a que se estabilice. Una vez estabiliza do este sistema, se controla el flujo de agua, este fluje se dirige hacia la muestra de carbón con el fin de mante r er el carbón húmedo y oxigenarlo durante la irradiación. A continuación, personal de operación del acelerador estable_ ce las condiciones necesarias para g e r e r a r una corriente de
electrones de 40 microamperes con una energía de 0.7 MeV. Alcanzadas estas condiciones, se permite que los electrones incidan sobre la muestra de carbón y se inicia el conteo del tiempo de irradiación. Al completarse el tiempo de irradiación se interrumpe la generación de electrones, se espera a que se evacúe el ozono y se retira la muestra de carbón irra diado, para posteriórnente evaluar el efecto de la radiación sobre la capacidad de adsorción del carbón. BASES PARA DISEÑAR EL DISPOSITIVO PARA IRRADIAR CARBON. Para seleccionar las dimensiones y la forma del dispositivo de irradiación de carbón fue preciso tomar en cuenta: las - características del material a irradiar así como las condiciones de irradiación. CARACTERISTICAS DEL ACELERADOR LIMITACIONES 1 1.- El haz de electrones es horizontal obliga a colocar una doble ven- tana de Ti entre los electrones y la capa de carbón. 2.- Energía máxima de electrones de poca penetración de 1 os electro 700 kev* nes. 3.- Corriente de electrones 40 microam- no hay peres.* 4.- Dimensiones de ventana 600X47mm ninguno * DATOS NO DETERMINADOSEXPERIMENTALMENTE.
CONDICIONES DE IRRADIACIÓN LIMITACIONES 1.- El carbón deberá tener agua adsorbida 2.- El agua adsorbida deberá tener llmg de 0 2 /l 3.- Irradiar a diferentes temperaturas 4.- Mantener verticalmente la capa de carbón. agregar agua durante la irradiación. mantener esta concentración de oxígeno en agua. sistema para calentar carbón. interponer película de titanio entre los electrones que salen de ventana y el 1 carbón a irradiar. En función de las características del carbón, del acelerador y de las condiciones de irradiación, se seleccionó un dispositivo de irradiación de las siguientes características. (Ver figura la). Forma Dimensiones Material Alimentación Espesor de la carbón Calentamiento ; ; de agua : capa de del carbón : Paralelepípedo 300x30x15 mm. bronce, teflón y titanio tubos de entrada y salida variable agua caliente através de 50 mieras de espesor por largo y 3 cm de ancho. chaqueta 30 cm de. i. Con este dispositivo de irradiación se hizo una dosimetría con líquidos. Esta dosimetría nos indica que en el volumen de 300x30x15 mm se logra - una rapidez de dosis de 500kGy/hora. En función de este dato se uso este dispositivo para irradiar carbón. El carbón irradiado en este dispositj_ vo no se logra regenerar a pesar que el sistema absorbe más de 500kGy/ho^ ra, y que las muestras se irradian hasta 2 horas.
Se piensa que los electrones se frenan en un espesor muy pequeño del carbón y que la energía de los electrones no es suficiente para provocar cambios químicos en todo el espesor de carbón. Para evitar estas limitaciones se decide eliminar la ventana de tita nio que retiene al carbón en forma de capa vertical y se elimina la capa de agua que se formaba entre la película de titanio y el carbón. El nuevo dispositivo de irradiación queda como se muestra en la figu_ ra Ib. Suponiendo que la energía de los electrones es de 0.7 MeV. Los - electrones tendrían un rango de penetración de 0.29 cm en agua de acuerdo a la fórmula. r= AW ~1-B/(1+CW)] A=5.37 x 10-4 g cm" 2 kev. B=0.9815 C=3.123OxlO" 3 kev" 1 W=700 kev. Sustituyendo : r=5. 37x10" gcm" kev x700 kev[l-0.9815/(l+700kevx3.1230x10 r=0.3759gcnf 2 (l-0.308) o.: -2 r=0.2970699 g cm como el medio dominante es agua su densidad es cercana a la unicad. r=0.290699 gcm" = 0.291 cm lg/cm En el nuevo dispositivo de irradiación la capa de carbón tiene un espesor máximo de 1.8 mm, no hay material que interponga entre los electrones que salen del barredor y el carbón por irradiar.
DETERMINACIÓN DE HUMEDAD EN CARBON La humedad en el carbón que se estudia en este trabajo, se debe determinar sin elevar la temperatura porque este "^cremento de temperatura podría activar el carbón. Tampoco es convergente determinar humedad en el carbón bajo estudio, por extracción, porche se podrían extraer algunos de los materiales adsorbidos en carbón y atribuir este efecto al proyecto de irradiación. Se selecciona el método de Karl Fischer pa r a determinar la humedad del carbón que se usa en este estudio. Este rr-étodo no activa al carbón y por ello resulta útil. El principio de este método consiste en hacer - reaccionar el agua, presente en el carbón, con el reactivo de Karl - - Fischer. En el momento que se agota el a:ua se produce una corriente eléctrica en la solución y esta la señal para que se interrumpa la adición de solución de Karl Fischer. El volur.en de Karl Fischer es propo_r_ cional al contenido del agua en el carbón. La cantidad de agua presente en una muestra de carbón se calcula con la siguiente ecuación: % de humedad= (Volumen de soln.kari Fischer en m1)(titu1o de so1n.)(100) cantidad de muestra en mg
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ADSORCIÓN DE CARBON ACTIVADO La capacidad de adsorción del carbón bajo estudio se determina midiendo la cantidad de fenoles que adsorbe una cantidad conocida de carbón. Se pesan 0.6 gramos de carbón en base seca, se le agregan 100 mi de solución acuosa de fenol de 10 + 3 mg/1, esta suspensión se somete a agitación durante quince minutos. Después de este tiempo se filtra la solución. A esta solución se le determina el contenido de fenoles y por diferencia se determina la cantidad de fenoles adsorbidos por 0.6 gramos de carbón capacidaddeadsorción del carbón en porcentaje = ^ C S F ) " (CSFTC); ( 100 ) CSF : concentración de solución estándar de fenoles (mg/1) CSFTC : concentración de solución estándar de fenoles después de tratarse con carbón (mg/1). RESULTADOS Los resultados se expresan en unidades de capacidad de adsorción del carbón y es el porcentaje de fenol, que adsorbe una cantidad conocida de carbón, de una solución estándar de fenol cuando se ponen en contacto. Se determina la capacidad de adsorción al carbón activado sin irradiar y al irradiado. Esperamos que la capacidad de adsor^ ción del carbón activado irradiado sea mayor que la del carbón que no se irradia con electrones.
La capacidad de adsorción del carbón activado virgen, aquel que no ha sido usado para adsorber contaminantes, es de 91 por ciento (ver Tabla 1 ). En la Tabla 1 aparecen también los resultados de la capacidad de adsorción del carbón activado que proviene de la planta de tratamiento de agua del irradiador JS-65OO del ININ (C ). El "C " tiene una capacidad de adsorción de 51% mientras que el que se irradió (C I) tiene una capacidad de adsorción de 5 5%. Se puede observar que la irradiación ccn electrones de 0.7 MeV de energía no tiene efecto significativo sobre la capacidad de adsorción del carbón que se irradió. Pensando que ésto podría deberse al tipo de contaminantes adsorbido, de origen inorgánico. Para descartar esta posibilidad, se sometió a irradiación muestras de carbón que se usa en la planta de tratamiento de aguas residuales de Cerro de la Estrella del Distrito Federal ( C D ). Este carbón activado muestra una capacidad de adsorción de 78.23%, por otro lado, la muestra irradiada de este carbón,tiene una capacidad de adsorción de 78.55%. La capacidad de adsorción del carbón no irradiado y del carbón irradiado es prácticamente igual, ésto indica que los electrones que inciden sobre el carbón no provocan reacciones químicas en grado suficiente sobre contaminantes, como para que los contaminantes se desadsorban del carbón. Se modifica el diseño del dispositivo de irradiación, para que los electrones que incidan sobre el carbón lleguen con mayor energía. Para ello, se elimina una película de titanio de 50 mieras de espesor y una película de agua de 100 mieras de espesor, ambas se interponen entre el carbón y los electrones. Después de esta modificación, se observa que la capacidad de adsorción en el carbón sin irradiar y en el car bón irradiado sigue sin mostrar diferencias significativas.
La capacidad de adsorción del carbón "CD"es muy alta a pesar que es carbón usado. Se decide saturar este carbón con fenoles, antes de someterlo a irradiación. El carbón "CD" saturado con fenoles (CDF) tiene una capacidad de adsorción de 37%. La muestra de carbón "CDF irradiado (CDFI) -ostro una capacidad de adsorción de 52.4%. Por irradiación se - logro incrementar en 15%la capacidad de adsorción del carbón CDF. Los datos de la Tabla 2 indican que mayores tiempos de irradiación no aumentan la capacidad de adsorción del carbón irradiado. DISCUSIÓN DE RESULTADOS. Los electrones acelerados empleados en este experimento no logran recuperar la capacidad de adsorción del carbón que se irradió con estos electrones. Esto podría deberse a que los electrones ernplea_ dos no tienen la energía suficiente para penetrar al carbón o que no se lleve a cabo, el número suficiente de reacciones químicas de degradación de contaminantes que permitan al carbón recuperar su - capacidad de adsorción. Para recuperar la actividad del carbón tal vez se necesite electrones con mayor energía de 0.8 MeV (1.5-2.0 MeV), y/o una dosis mayor. Esto solo se comprobará con más trabajo experimental. El acelerador de electrones tipo Pelletrón que se usó en este experimento podría funcionar en forma continua si contara con un operador a tiempo completo y un programa de mantenimiento adecuado. La falta de estos dos aspectos es la causa de retrasos en los programas de experimentación con este acelerador.
TABLA 1. Capacidad de adsorción de fenoles en carbón activado virgen y en carbón activado usado en plantas de tratamiento de aguas residuales. MUESTRA TIEMPO DE CONDICIONES CAPACIDAD DE ADSORCIÓN IRRADIACIÓN VOLTAJE CORRIENTE SIN IRRADIAR IRRADIADO (MINUTOS) (MeV) (-A) CARBON ACTIVADO VIRGEN 91 0 CARBON ACTIVADO USADO EN GAMMAS 51 55 60 0. 7 40 CARBON ACTIVADO USADO EN DDF 78. 23 78. 55 60 0. 7 40 CARBON ACTIVADO USADO PARA ADSORBER FENOLES 37 52. 4 60 0. 7 40 TABLA 2. Adsorción de fenoles en carbón activado sometido a diferentes tiempos de irra diación (carbón del DDF). TIEMPO DE IRRADIACIÓN EN MINUTOS 5 13 15 30 60 120 % FENOLES ADSORBIDOS POR 0,6 g _DE CARB.0N_ 64.13 63.16 68.16 65.00 56.22 67.00
AGRADECIMIENTOS Se agradece la ayuda que nos brindó en dosimetría la M. en C. Ma. del Pilar Zuazua, también se agradece el apoyo que nos brindo el Ingeniero Víctor Hernández Magadan, con sus comentarios sobre el diseño y construcción de los dispositivos de irradiación y por operar junto con el Ingeniero Héctor López Valdivia el acelerador de electronesen el que se irradió el carbóni REFERENCIAS 1.- Isidoro Martínez Mera, (1983), Determinación de fenoles en agua por esoecto_ metría en el infrarrojo, All-83-301, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, México. 2.- E.K.Kobetich and Robert Kata, Phys. Rev. 170_, 2,291-396, (1986)
E1111- a cl a 3.OO S evli d et /' 3O.OO" Figura la. Dispositivo de espesor variable para irradiar carbon. A c o t. c m [kit. V.H.Mogodcn
Figura 1 b>. Dispositivo de banda m ovil para irradiar carbon