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Reporte de Laboratorio Prueba de Jarras. Paulo Arias, Luis Valdivieso. Ingeniería Ambiental Universidad Politécnica Salesiana. Cuenca - Ecuador [email protected]

Abstract — Colloidal particles are in size range between dissolved substance and suspended particles. The particles are too small to be removed by sedimentation process. Colloidal particles exhibit the Tyndall effect; that is, when light passes through liquid containing colloidal particles, the light is reflected by the particles. This can be measured by turbidity; for a given particle size, the higher the turbidity, the higher of concentrations of colloidal particles. These processes usually done in sequence, are combination of physical and chemical procedures Finally dispersed solid (colloids) suspended in wastewater are stabilized by negative electric charges on their surfaces, causing them to repel each other. Since this prevents this charged particle form colloidal particles from suspension, chemical coagulations flocculation are required. Chemicals are mixed with raw water to promote the aggregation of the suspend solids particles large enough to settle or be removed. Coagulation is the destabilization of colloids by neutralizing the forces to keep them apart. As the result collide to form larger particles (floc). We had successfully done this experiment, to conduct various experiments on chemical coagulation a flocculation to determinate the optimum dose combination of coagulant aid, which will produce the highest removal of turbid water sample. Keywords — Coagulation, Color, Flocculation, Turbidity, pH, Solid.

Colloid,

Chemicals,

partículas cargadas de los coloides se formen hasta formar largas masas, llamadas “Flóculos”, y por acción de la gravedad estos se sedimenten. Para la remoción de partículas coloidales en suspensión, se requiere de agentes coagulantes y floculantes. Este proceso usualmente hecho en secuencia son un proceso físico – químico, que consiste en mezclar los químicos con el agua residual para promover la agrupación de los solidos suspendidos en partículas los suficientemente grandes (floculo) para ser sedimentadas o removidas. La coagulación es la desestabilización de los coloides por la neutralización de las fuerzas que las mantienen apartadas entre sí. Los coagulantes catiónicos proveen cargas positivas para reducir las cargas negativas de los coloides, como resultado, las partículas llegan a formar coloides. Una mezcla rápida es requerida para dispersar el coagulante a través del líquido. La sobre dosis de coagulante pueden causar una carga reversa y estabilizar el coloide. Un coagulante en la sustancia (químico) que es añadida al agua para llevar a cabo la coagulación. Existen tres claves de las propiedades de un coagulante; •

Catión trivalente: Como se mencionó, los coloides más comunes encontrados en agua que proviene de origen natural están negativamente cargadas; por lo tanto, un catión es requerido para neutralizar la carga, un catión trivalente es el más eficiente.

•

No tóxico: Este requerimiento es obvio para garantizar la calidad del agua.

•

Insoluble en el rango de pH neutro: El coagulante que es añadido debe precipitarse fuera de la solución así las altas concentraciones del ion no están presentes en agua. Tal precipitación es muy eficiente para el proceso de remoción de los coloides.

I. INTRODUCIÓN

L

AS partículas

coloides están en un rango promedio entre la sustancia ya sean; disueltas y suspendida, las partículas son demasiado pequeñas para ser removidas por procesos como; sedimentación y filtración. La particularidad de estas partículas exhibe un determinado comportamiento conocido como Efecto Tyndall, que es cuando la luz pasa a través del líquido que contiene las partículas coloides, la luz es reflejada por la presencia de los mismos para determinar en base a su cantidad, la turbiedad de la sustancia. Aunque, el color es un termino muy útil que es usado para describir el estado de una solución, sin embargo es difícil distinguir el “color disuelto” y “color coloidal”. Los solidos dispersados (coloides) en agua residual están estabilizadas por cargas eléctricas negativas sobre su superficie, causando que éstas se repelan entre sí. A partir de esto impide que las

Dos de los coagulantes comunes mayormente usados son Aluminio (Al+3) y el Hierro (Fe+3). Ambos son reúnen tres requerimientos, el aluminio puede ser comprado como sal o solución de aluminio. Cuando el aluminio añadido al agua

contiene alcalinidad como ocurre en la siguiente reacción. Al2(SO4)3• 14H2O  2Al(OH)3 + 14H2O + 3SO3-2 El rango óptimo de pH para el aluminio es aproximadamente 5.5 a 6.5 con la posible coagulación entre pH 5 a pH 8 bajo algunas condiciones. En el proceso de floculación. El agente floculante es añadido por una baja y uniforme mezcla que permite el contacto entre los pequeños flóculos aglomerándolos en las largas partículas. Nuevamente formadas las partículas aglomeradas, son muy frágiles y pueden romperse por las fuerzas de corte durante la mezcla. Incrementando la dosis incrementará la tendencia de los flóculos a flotar y no sedimentarse, una vez las partículas suspendidas están floculando éstas se precipitan y pueden ser removidas del líquido por sedimentación efectuando la suficiente densidad densidad que existe entre la materia suspendida y el líquido. La reacción de floculación no solo incrementa el tamaño de los flóculos para sedimentarlas rápido, sino que además los efectos de la naturaleza física del flóculo, hace a las partículas menos gelatinosas, de este modo es fácil drenar. En este proceso incluyen factores químicos e hidráulicos, entres éstos tenemos: • • • • • •

B. Objetivos específicos. •

Determinar la dosis más efectiva y recomendada para coagulantes y floculantes.

•

Comprender el proceso de los tratamientos de remoción de los sólidos suspendidos en agua.

III. MATERIALES Y EQUIPOS Los materiales que fueron necesarios para llevar a cabo esta práctica son los siguientes: • • • • • •

Aparato de prueba de jarras con seis pedales rotativos. Vaso de precipitación (6) graduados en ml (600ml) pH meter. Cronómetro. Turbidímetro Pipetas graduadas en ml (10 ml)

Reactivos. • •

Coagulante; sulfato de aluminio (alumbre). Muestra líquida.

A. Criterios de análisis. pH Temperatura Concentración del coagulante Secuencia de aplicación de sustancias químicas Grado de agitación Tiempo de sedimentación

El pH desempeña un papel muy importante en el estudio de los fenómenos de coagulación- floculación, es así como una parte de la carga de las partículas coloidales que han absorbido iones OH-, queda destruida por un aumento de la concentración de iones H3O- - que ocasiona una disminución de la estabilidad de la suspensión coloidal. Preferiblemente el pH debe quedar dentro de la zona correspondiente al mínimo de solubilidad de los iones metálicos del coagulante usado. El tiempo de mezclado del coagulante en el agua a tratar será el necesario para que el producto utilizado se difunda con la mayor rapidez posible. El tiempo de coagulación es extraordinariamente breve, la utilización óptima del coagulante exige que la neutralización sea total antes de que una parte del coagulante haya comenzado a precipitar. II. OBJETIVOS. A. Objetivos generales. •

Estimar el comportamiento de la prueba de jarras.

•

Demostrar la efectividad de los tratamientos químicos en el proceso de tratamiento del agua.

• •

Características de los fóculos; Uniformidad, velocidad de aparición. La claridad y transparencia: es el criterio más importante en la evaluación de una prueba de jarras, ya que es lo que se persigue en la clarificación del agua. Para ello se mide la turbiedad final del agua.

B. Condiciones para las pruebas de jarras. Debido a que la prueba de jarras es sólo una simulación del proceso, es necesario mantener las condiciones operacionales existentes en el proceso como son: tiempo en la mezcla lenta y rápida, punto de aplicación de los reactivos, el orden y el tiempo de dosificación de los mismos.

IV. PROCEDIMIENTO. A. Preparación de la Solución patrón. Según la literatura consultada, se inició la preparación de la solución patrón recomendada para ser posteriormente añadido a las muestras que se van a ser tratadas. La concentración recomendada con la que se realizó la prueba, fue al 1%(m/m), aplicando la ecuación de la concentración representada en porcentaje: 𝑆𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 (𝑔)

%𝐶 = 𝐷𝑖𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑔) ∗ 100%

(1)

Considerando la debida transformación de los ml del solvente a g.

Al aplicar la ecuación (1) nos permite determinar la cantidad de coagulante a mezclar, para así obtener la concentración deseada. La base de la solución se asumió de 100 ml con su debida transformación de su volumen a masa (g) y se pretende conseguir que la solución tenga una concentración del 1%, la ecuación es la siguiente:

La formación de los fóculos se determinó a los 4 min transcurridos de agitación en el equipo. Se procedía a dejar. sedimentar las partículas floculadas durante un tiempo de 10 min, en los cuales se podía observar la apariencia y consistencia del floc. Posteriormente se construyeron tablas y gráficas que relacionan; turbidez, pH y la dosis del coagulante aplicado. Volumen añadido (ml)

Dosis de Al2(SO4)3 (mg/L) 10 20 30 40 50 60

𝑆𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

1% = 100 (𝑔) * 100%

1% 100%

1 2 3 4 5 6

𝑆𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

= 100 (𝑔)

Turbiedad (FTU) 41 7 9 58 83 87

Tabla.2 Relación de dosis en base al volumen añadido.

𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 0.01 = 100 (𝑔)

En donde al despejar la ecuación se obtiene la cantidad de sal que requiere la solución madre:

Finalmente, se determinaba la dosis óptima de coagulante sulfato de aluminio granulado seleccionando aquella dosis en donde el valor de la turbidez sea la más baja.

Fig. 1 Relación de Turbiedad Vs Dosis óptima

Al2(SO4)3 = 1g.

Nº de Jarra.

1

2

3

4

5

6

Turbiedad (FTU) pH

200

192

230

198

254

296

6.77

6.90

7.01

7.05

6.90

16.91

Temperatura (ºC)

16.6

16.6

16.5

16.5

16.5

16.4

Realizadas ya las mediciones se procedió a al equipo e jarras colocando cada una de las muestras bajo su respectivas paletas de rotación y posteriormente se encendían las lamparas. El equipo se programaba para su funcionamiento de la siguiente manera, se mantenía la agitación rápida de las aspas a 90 rpm durante tres minutos, (mescla rápida o coagulación), luego se disminuyó la velocidad de agitación a 30 rpm durante 15 min. Para la dosificación del agua con el agente coagulante (sulfato de aluminio) se procedió a tomar los volúmenes de; 1ml, 2ml, 3ml, 4ml, 5ml, 6ml, de manera sucesiva en cada vaso de la muestra teniendo en consideración la equivalencia: 1ml = 10mg/L

80

Turbidez (FTU)

Tabla 1. Parámetros iniciales

100

60 40 20 0 1

2

3

4

5

6

Dosis (ml)

Fig. 2 Relación pH Vs Dosis óptima

pH

B. Preparación de las muestras. La cantidad suficiente para llevar a cabo la prueba fue de 5L de agua residual tomada del rio Machángara. Se empezó con un volumen de 500 ml en cada vaso de precipitación y se procedió a medir los parámetros iniciales ya mencionados.

7,1 7,05 7 6,95 6,9 6,85 6,8 6,75 6,7 6,65 6,6 10

20

30

40

Dosis (mg/L)

50

60

VI. DISCUSION.

Fig. 2 TemperaturaVs Dosis óptima

70 60

Dosis (mg/l)

50 40 30 20 10 0 16,35

16,4

16,45

16,5

16,55

16,6

16,65

Temperatura º C

V. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS.

Nº de Jarra.

1

2

3

4

5

6

Turbiedad inicial (FTU) pH Inicial Temperatura inicial (º C) Dosis coagulante (mg/L) Agitación (min) Mezcla rápida (rpm) Mezcla lenta (rpm) pH final

200

192

230

198

254

296

6.77

6.90

7.01

7.05

6.90

16.91

16.6

16.6

16.5

16.5

16.5

16.4

10

20

30

40

50

60

15

15

15

15

15

15

90

90

90

90

90

90

30

30

30

30

30

30

7.15

6.53

5.88

4.70

4.06

4.10

Temperatura final

16.5

16.8

16.8

16.8

16.9

19.9

(º C) Turbiedad final (FTU)

41

7

9

68

83

87

Hemos tenido éxito realizando este experimento, porque el objetivo de esta práctica, analizar médiate aplicaciones de agentes químicos, determinar la dosis óptima añadida, el cual producirá la alta remoción de turbiedad en la muestra de agua tratada. La prueba de las jarras nos ha servido para evaluar la efectividad del coagulante aplicado. La turbiedad es esencial para medir los coloides presentes y cuantificar su cantidad. Sin embargo, estos coloides están suspendidos en una solución en la cual no pueden ser removidos por sedimentación o filtración. Debido a que las partículas estabilizadas son muy pequeñas ara que puedan sedimentarse. Los coloides están involucrados en un movimiento Browniano, el cual están simplemente aleatorio. Las partículas migran hacia el polo ce carga positiva en una tasa proporcional al gradiente potencial. Generalmente las cargas cargas superficiales más estable es la suspensión. Basados en este experimento, las pruebas de las jarras las dosis de coagulantes en los contenedores son de 1 ml a 6 ml, para esta agua la dosis de coagulante disminuyó la turbiedad que se tenía inicialmente. EL exceso de coagulante aumentó la turbiedad debido a que las cargas positivas volvieron a estabilizar los coloides.

VII. CONCLUSIONES. 1.

2. 3.

4.

5.

Tabla. 3 Resultados generales del análisis. ○A partir del resultado se puede demostrar que la dosis más efectiva oscila entre 20 – 30 mg/L. ○El pH más adecuado es de 7 – 7.5 ○La temperatura se mantuvo constante durante el proceso. Al agregarse sulfato de aluminio al agua este se hidroliza provocando una disminución del pH, debido a esto se puede observar que el comportamiento del pH en todos los ensayos es el mismo. Después de la dosificación con sulfato de aluminio el pH de las muestras disminuye, entonces a mayor dosificación de sulfato de aluminio menor pH.

6.

Como conclusión este experimento resultó ser exitoso obteniendo los resultados deseados para demostrar el objetivo planteado, determinar la dosis óptima el agente coagulante, como consecuencia de aquello, produce una alta remoción de la turbiedad en la muestra de agua. La prueba de las jarras es un método experimental onde la dosis óptima es determinada empíricamente. La prueba de las jarras son principalmente una simulación de las condiciones y procesos que toma lugar e la clarificación de agua residual e las plantas de tratamiento. Los valores obtenidos mediante el experimento en cuanto a la dosis óptima y en relación a la gráfica, se puede demostrar que para este caso, la dosis óptima esta entre 20 – 30 mg/L La sobre dosis puede causar una descompensación en la desestabilización de las moléculas, haciendo que exista mayor cantidad de cationes, el cual vuelven a repelerse y re-estabilizar los coloides. Después del tratamiento con el coagulante el pH de la muestra disminuye

REFERENCIAS 1. VALENCIA, Jorge Arboleda. Teoría y práctica de la purificación del agua Tomo I, Colombia, 2000. P 43-47. 2.Ada Barrenechea Marte, Coagulación, 2006.

3. GRANADOS, Natalia Andrea. Determinación de la dosis más efectiva de la mezcla de carbón activado en polvo con sulfato de aluminio liquido para la potabilización de agua en la empresa aguas y aguas de Pereira. Tesis. Universidad Tecnológica de Pereira, Escuela de Tecnología Química, 2007. 4.Sistemas de Potabilización, Sección II Título C. Reglamento Técnico del Sector del Agua Potable y Saneamiento Básico RAS 2000. Ministerio de Desarrollo Económico. Bogotá DC, Noviembre 2000. 5.ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Calidad del Agua. Primera Edición, 2002. P 67, 69, 70, 71. 6.RESTREPO OSORNO, Hernán Alonso. Evaluación del Proceso de Coagulación – Floculación de una Planta de Tratamiento de Agua Potable. Tesis. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín, 2009. 7. Water Poll. Inhibition of floculation processes in systems containing organic watter. Vol 55 N 07. P 947, 1983