COMPORTAMIENTO DEL HIERRO PRESENTE EN EL SULFATO DE ALUMINIO COMERCIAL Lydia Marciales, Carlos Cobos y Luis Cortés Laboratorio de Aguas, Departamento de Ingeniería Sanitaria Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela Apartado 50656, Caracas 1050-A, Venezuela Fax: (58-2) 6053038; e-mail: lmarcial@sagi.ucv.edu.ve RESUMEN Investigaciones realizadas previamente por los autores a fin de evaluar la eficacia de un sulfato de aluminio comercial empleado como coagulante en el tratamiento de las aguas con fines de potabilización, mostraron que su eficiencia es similar a la de un sulfato de aluminio de calidad analítica. Debido a la presencia significativa del hierro en el producto comercial, verificada analíticamente, y a su actuación como coagulante metálico, hemos realizado este estudio para determinar la influencia del hierro presente en dicho producto en el proceso de coagulaciónfloculación. A tales efectos se hicieron pruebas empleando sulfato de aluminio nacional con contenidos de hierro de 1,4% y un sulfato que simula su composición pero con contenidos crecientes desde 2% hasta 8% de Fe 2 O 3. Los resultados obtenidos confirmaron su papel en el proceso aún cuando es recomendable continuar los estudios para poder evaluar la contribución del hierro en forma cuantitativa. Palabras clave: coagulación, floculación, coagulantes, sulfato de aluminio. INTRODUCCION El presente trabajo es una continuación de las determinaciones llevadas a cabo en el Laboratorio de Aguas del Departamento de Ingeniería Sanitaria de la Universidad Central de Venezuela, para evaluar la eficacia del sulfato de aluminio producido en nuestro país a partir de bauxita nacional (Marciales et al., 1995), el cual se utiliza como coagulante en el tratamiento de las aguas con fines de potabilización. Los resultados obtenidos mostraron que el sulfato de aluminio comercial tiene una eficacia como coagulante similar a la de un sulfato de aluminio de calidad analítica aún cuando su contenido de aluminio sea algo menor. Además los análisis practicados al producto comercial mostraron un contenido de hierro de cierta significación, introduciendo así un componente adicional que pudiera intervenir en el proceso de coagulación ya que el hierro actúa también como coagulante metálico. En consecuencia, se estudió su comportamiento mediante ensayos de fijación de tratamiento empleando pruebas de jarro normalizadas y se compararon los resultados utilizando un sulfato de aluminio comercial con un contenido de aluminio del 15,2% expresado como Al 2 O 3 y de hierro de 1,4% expresado como Fe 2 O 3, con aquellos obtenidos con un sulfato de aluminio de calidad analítica con un contenido de aproximadamente 15% de Al 2 O 3 y prácticamente libre de hierro. No se encontró diferencia alguna entre la eficiencia como coagulante del producto comercial proveniente de la bauxita frente a la del producto de grado analítico. Por lo tanto hemos realizado este estudio a objeto de determinar la influencia de contenidos de hierro superiores al 1,4%, presente en el producto comercial estudiado.
MATERIALES Y METODOS De las 144 muestras de sulfato de aluminio comercial analizadas (Marciales et al., 1995), utilizando la metodología señalada por la American Water Works Association (1988) y la clásica empleada en estos casos (Griffin, 1955), se escogieron los resultados más significativos en frecuencia y alto contenido de hierro como valores representativos (ver Tabla 1). Para los ensayos se utilizó una muestra de sulfato de aluminio comercial con un contenido de hierro de 1,4% expresado como Fe 2 O 3 como valor representativo de esas dos condiciones y con 15,2% de aluminio como Al 2 O 3. Para cuantificar el hierro remanente después del tratamiento y con el fin de estudiar su participación en el proceso de coagulación, se realizaron pruebas de jarro empleando la muestra antes referida, y como compuestos referenciales se utilizaron como coagulantes un sulfato de aluminio de grado analítico (p.a.) y una mezcla de compuestos p.a. que simulan los contenidos de hierro y aluminio presentes en el sulfato comercial usado en los experimentos. La eficiencia del proceso se determinó midiendo la turbiedad residual de los sobrenadantes después de la sedimentación. Inicialmente se realizaron series de tres ensayos similares empleando los tres coagulantes y la misma agua cruda natural de origen superficial en todos los casos (Tabla 2). Debido al contenido de hierro del agua cruda natural el cual interfiere en la evaluación de los resultados del hierro residual, se hizo necesario realizar una segunda serie de ensayos con agua sintética (Tabla 3), cuya turbiedad fué generada mediante la suspensión de caolín en agua destilada ajustando su ph y alcalinidad con soluciones de HCl 0,1M y NaHCO 3 1M respectivamente. El caolín fué previamente secado a 103 0 C durante 24 horas y la suspensión de trabajo tenía una concentración de 50 mg/l y una turbiedad promedio de unas 60 unidades de turbiedad nefelométrica (UTN). Con la finalidad de estudiar el grado de participación del hierro en el proceso de coagulaciónfloculación, se realizaron ensayos con concentraciones crecientes de hierro desde 2 hasta 8% como Fe 2 O 3 empleando agua natural y agua sintética (Tablas 4 y 5). En cada uno de los casos se empleó la prueba de jarro normalizada (Cox, 1964) para fijar el tratamiento y para ello se transfirió 1 litro del agua a tratar a cada uno de los 6 vasos de precipitados colocados en un agitador múltiple normalizado 1 y se agregaron dosis del coagulante entre 10 y 40 mg/l. Después de un período de mezcla rápida de 1 min a 100 rpm y 20 min de floculación a 20 rpm, se dejaron sedimentar las suspensiones floculadas durante 20 min. Al final del período de sedimentación se tomaron muestras de los sobrenadantes en cada vaso de precipitados, para determinar la turbiedad 2 y color remanentes en cada uno de ellos, así como los ph y alcalinidad finales. Adicionalmente se determinó el hierro presente en cada uno de los sobrenadantes previamente filtrados a través de papel de filtro Whatman No.1 y siguiendo los métodos normalizados ( Standard Methods, 1989). Para el estudio comparativo de la eficiencia del producto en estudio en las pruebas de jarro antes mencionadas, el coagulante referencial sulfato de aluminio de grado analítico (p. A.) utilizado fué una solución (Packham, 1962) al 1% de Al 2 (SO 4 ) 3.18 H 2 O. Los resultados de las pruebas de jarro con los tres coagulantes arriba indicados, empleando agua cruda natural y agua sintética se muestran en las Tablas 2 y 3, respectivamente. Los ensayos con concentraciones crecientes de hierro desde 2 hasta 8% como Fe 2 O 3, usando aguas natural y sintética se presentan en las Tablas 4 y 5. 1 Phipps & Bird Inc. Richmond, Va., USA. 2 Hach Chemical Co., Modelo 2100, Ames, Iowa,USA.
TABLA 1: CARACTERISTICAS DEL SULFATO DE ALUMINIO VALORES MAS REPRESENTATIVOS Muestra No. Al 2 O 3 % Fe 2 O 3 % 1 15.6 1.1 4.2 2 15.5 1.2 3.8 3 15.3 1.3 3.4 4 15.1 1.4 2.9 5 15.3 1.5 3.5 6 15.1 1.6 4.0 7 15.2 1.4 4.4 8 15.5 1.3 3.8 9 15.4 1.4 3.5 10 15.2 1.3 3.8 Insolubles % RESULTADOS Y DISCUSION Como resultado de las pruebas de jarro puede observarse, en todos los casos estudiados, que la turbiedad remanente después del período de sedimentación disminuye a medida que aumenta la dosis de coagulante. Además, la reducción de la turbiedad originalmente presente en las aguas crudas natural y sintética son respectivamente del mismo orden de magnitud (Tablas 2, 3, 4 y 5), indicando para la eficiencia del proceso un comportamiento análogo de los tres coagulantes utilizados. Al analizar los resultados del hierro remanente en los sobrenadantes de las aguas sedimentadas después del proceso de coagulación puede observarse lo siguiente: Con agua cruda natural (Tablas 2 y 4) el hierro remanente es menor que el hierro presente en el coagulante tanto para el sulfato de aluminio comercial como para la mezcla de coagulantes p.a. En el caso del sulfato de aluminio p.a. donde el hierro residual proviene sólo del agua cruda, el residual al final del proceso es muy bajo. Con agua sintética, libre de hierro, los remanentes de éste son cero (esta cifra significa ausencia de hierro de acuerdo al límite de detección del método) para los tres coagulantes usados. Con dosis pequeñas de coagulante (10 y 15 mg/l), en todos los ensayos, se presenta un hierro residual menor al añadido, el cual no pudo ser arrastrado en el proceso de coagulación de barrido (Packman, 1962), ya que a los ph reportados las dosis mencionadas se encuentran en la denominada zona de floculación incipiente", definida en publicación anterior por los autores (Marciales et. al., 1984; Rivas Mijares, 1994). En todos los ensayos, a medida que aumenta la dosis del coagulante aumenta la remoción de turbiedad y disminuye el contenido de hierro remanente. En los ensayos con alto contenido de hierro, como puede observarse en las Tablas 4 y 5, tanto el ph como la alcalinidad no tienen mayor variación al aumentar la cantidad de hierro agregada. En cuanto a los porcentajes de remoción de turbiedad en todos los ensayos son del mismo orden de magnitud y similares a aquellos cuyo contenido de hierro es de 1,4 % de Fe 2 O 3. Para el caso de 2 y 4% con agua sintética, la turbiedad disminuye a medida que aumenta la concentración de hierro, lo cual ocurre también con los otros coagulantes empleados en los otros experimentos. En tanto que para el caso de 8%, se puede observar un ligero cambio de comportamiento, ya que no hay una disminución sostenida en la remoción de turbiedad sino que sigue un patrón irregular con el aumento de la dosis de coagulante añadida pero en el mismo orden de magnitud como los otros ensayos. En relación a la cantidad de hierro remanente después de la sedimentación con 2 y 4%
de Fe 2 O 3 (Tabla 5), no se observa presencia del elemento hierro para ninguna de estas dosis cuando se emplea agua sintética libre de hierro. Sin embargo, para la concentración de 8% aparece la misma cantidad de hierro remanente a medida que aumenta la dosis de coagulante siendo algo mayor para las dosis superiores. En el caso del uso de agua cruda natural que contiene hierro y coagulantes con 4% y con 8% de Fe 2 O 3, los residuales de hierro son iguales entre sí pero menores al correspondiente del sulfato grado analítico libre de hierro (Tabla 4), lo nos muestra la participación del hierro presente tanto en el agua como en el coagulante. En todos los ensayos los valores de hierro residual son menores que el valor normativo venezolano vigente (Gaceta Oficial, 1992). TABLA 2: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA CRUDA NATURAL SULFATO DE ALUMINIO COMERCIAL Residual UTN % UC % mg/l mg/l * - 7,8 134 230 100 50 100 1,96 1,96 1 10 7,6 128 37 16 25 50 2,06 0,13 2 15 7,5 126 31 13 25 50 2,11 0,10 3 20 7,5 124 26 11 20 40 2,16 0,08 4 25 7,4 124 24 10 20 40 2,21 0,07 5 30 7,4 120 17 7 15 30 2,25 0,05 6 40 7,3 118 7 3 15 30 2,35 0,04 SULFATO DE ALUMINIO GRADO ANALITICO Jarro Cog. ph Alc. Turbiedad Residual UTN % UC % mg/l mg/l * - 7,7 130 235 100 50 100 1,96 1,96 1 10 7,6 128 29 12 25 50 1,96 0,05 2 15 7,5 124 26 11 25 50 1,96 0,04 3 20 7,4 122 21 9 20 40 1,96 0,02 4 25 7,4 120 17 7 20 40 1,96 0,02 5 30 7,3 118 13 5 15 30 1,96 0,01 6 40 7,2 116 5 2 15 30 1,96 0,01 MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO Residual UTN % UC % mg/l mg/l * - 7,6 130 165 100 50 100 1,96 1,96 1 10 7,5 124 19 12 20 40 2,06 0,06 2 15 7,4 122 14 11 20 40 2,11 0,06 3 20 7,4 122 8 9 15 30 2,16 0,05 4 25 7,3 118 5 7 15 30 2,21 0,02 5 30 7,2 114 4 5 10 20 2,25 0,01 6 40 7,1 110 2 2 10 20 2,35 0,01 *Agua Cruda
TABLA 3: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA SINTETICA SULFATO DE ALUMINIO COMERCIAL UTN % mg/l mg/l * - 7,4 84 60 100 0 0 1 10 7,3 82 16 27 0,10 0 2 15 7,2 80 11 18 0,15 0 3 20 7,1 78 9 15 0,20 0 4 25 7,1 76 8 13 0,25 0 5 30 7,0 74 7 12 0,29 0 6 40 6,9 72 6,5 11 0,39 0 SULFATO DE ALUMINIO GRADO ANALITICO UTN % mg/l mg/l * - 7,5 84 64 100 0 0 1 10 7,3 82 17 27 0 0 2 15 7,2 78 13 20 0 0 3 20 7,1 78 11 17 0 0 4 25 7,0 76 7 11 0 0 5 30 6,9 70 7 11 0 0 6 40 6,8 72 6 10 0 0 MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO UTN % mg/l mg/l * - 7,5 84 63 100 0 0 1 10 7,4 82 15 24 0,10 0 2 15 7,3 80 11 17 0,15 0 3 20 7,2 80 9 14 0,20 0 4 25 7,0 78 8 13 0,25 0 5 30 7,0 76 8 13 0,29 0 6 40 6,8 72 7 11 0,39 0 *Agua Cruda
TABLA 4: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA CRUDA NATURAL Y COAGULANTE CON ALTO CONTENIDO DE HIERRO Jarro Nº Coag. mg/l ph Alc. mg/l SULFATO DE ALUMINIO GRADO ANALITICO (0% Fe 2 O 3 ) Turbiedad Residual UTN % Residual UC % mg/l mg/l Aluminio Inicial Residual mg/l mg/l * - 8,1 156 56 100 50 100 3,40 3,40 0 0 1 10 8,0 152 11 20 30 60 3,50 0,15 0,79 0,22 2 15 7,9 150 6 11 25 50 3,55 0,13 1,19 0,30 3 20 7,8 148 5 9 20 40 3,60 0,10 1,59 0,15 4 25 7,7 140 4 7 20 40 3,65 0,09 1,99 0,18 5 30 7,6 140 3 5 15 30 3,69 0,08 2,38 0,11 6 40 7,2 140 2 4 10 20 3,79 0,08 3,18 0,09 MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (4% Fe 2 O 3 ) Aluminio Residual UTN % UC % mg/l mg/l mg/l mg/l * - 8,0 156 56 100 50 100 3,40 3,40 0 0 1 10 7,9 150 9 16 20 40 3,50 0,09 0,81 0,19 2 15 7,9 148 6 11 20 40 3,55 0,06 1,21 0,14 3 20 7,8 144 5 9 20 40 3,60 0,06 1,61 0,13 4 25 7,6 140 4 7 15 30 3,65 0,06 2,02 0,14 5 30 7,6 138 3 5 10 20 3,69 0,04 2,42 0,11 6 40 7,4 134 2 4 10 20 3,79 0,04 3,23 0,12 MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (8% Fe 2 O 3 ) Aluminio Residual UTN % UC % mg/l mg/l mg/l mg/l * - 8,1 156 56 100 50 100 3,40 3,40 0 0 1 10 7,9 148 11 20 25 50 3,50 0,09 0,81 0,26 2 15 7,8 146 9 16 20 40 3,55 0,06 1,21 0,30 3 20 7,7 146 8 14 20 40 3,60 0,06 1,61 0,18 4 25 7,7 144 6 11 15 30 3,65 0,06 2,02 0,17 5 30 7,6 138 5 9 10 20 3,69 0,04 2,42 0,16 6 40 7,5 136 4 7 10 20 3,79 0,04 3,23 0,14 * Agua Cruda
TABLA 5: PRUEBAS DE JARRO CON AGUA SINTETICA Y COAGULANTE CON ALTO CONTENIDO DE HIERRO MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (2% Fe 2 O 3 ) UTN % mg/l mg/l * - 7,5 84 63 100 0 0 1 10 7,4 82 14 22 0,14 0 2 15 7,4 82 12 19 0,21 0 3 20 7,4 78 11 17 0,28 0 4 25 7,2 74 8 13 0,35 0 5 30 7,2 70 8 13 0,42 0 6 40 7,0 68 6 10 0,56 0 MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (4% Fe 2 O 3 ) Residual No mg/l mg/l UTN % mg/l mg/l * - 7,5 86 60 100 0 0 1 10 7,5 84 17 28 0,28 0 2 15 7,4 82 15 25 0,42 0 3 20 7,3 82 14 23 0,56 0 4 25 7,2 74 11 18 0,70 0 5 30 7,1 70 10 17 0,84 0 6 40 7,0 68 9 15 1,12 0 MEZCLA DE SULFATO DE ALUMINIO Y CLORURO FERRICO GRADO ANALITICO (8% Fe 2 O 3 ) Residual No mg/l mg/l UTN % mg/l mg/l * - 7,5 86 61 100 0 0 1 10 7,5 82 14 23 0,56 0,05 2 15 7,4 80 10 16 0,84 0,05 3 20 7,3 80 8 13 1,12 0,05 4 25 7,2 74 11 18 1,40 0,05 5 30 7,2 70 12 20 1,68 0,10 6 40 7,1 66 10 16 2,24 0,15 *Agua Cruda
CONCLUSIONES La eficiencia del sulfato de aluminio comercial como coagulante es similar a la de los correspondientes compuestos de calidad analítica y mezcla de compuestos estudiados. El hierro contenido en el agua cruda interfiere en la evaluación del comportamiento del hierro presente en el sulfato de aluminio comercial. En todos los ensayos, en la zona de floculación incipiente, el hierro es reducido a valores por debajo de la concentración inicialmente presente, indicando su participación en el proceso. El contenido de hierro en las aguas crudas naturales parece tener poca influencia en la concentración del hierro remanente, entre los límites estudiados. En los ensayos con agua sintética se puede observar que el hierro remanente es cero al utilizar como coagulante al sulfato de aluminio comercial, lo cual nos indica la participación del hierro en el proceso de coagulación. En la zona de floculación incipiente el hierro remanente es cero al utilizar sulfato de aluminio comercial como coagulante y no pudiendo haber sido arrastrado por el fenómeno de barrido se puede inferir su participación en el proceso de coagulación. En todos los casos estudiados, la concentración del hierro remanente es menor a su valor normativo. RECOMENDACION Se recomienda continuar los ensayos empleando aguas naturales con bajo contenido de hierro y con aguas libres de dicho elemento, para poder definir efectivamente y en forma cuantitativa la contribución del hierro presente en el sulfato de aluminio comercial al proceso de coagulación, lo cual puede representar un aporte a la normativa vigente para el control de calidad de dicho producto.
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