4. RESULTADOS You can get help from teachers, but you are going to have to learn a lot by yourself, sitting alone in a room. Dr. Seuss 4.1 Determinación de concentración de metales a utilizar Las concentraciones de los metales utilizados para realizar los experimentos de esta tesis se muestran en la tabla 4.1. Estos valores fueron determinados con los valores promedio de las descargas (ya sea al final del proceso o a final de tanques [58]) de las industrias antes mencionadas en el capítulo de revisión bibliográfica. Tabla 4. 1 Concentraciones de los metales para la experimentación. EFLUENTE ARTIFICIAL Metal mg/L Cromo 100 Cobre 80 Niquel 120 Zinc 50 Para los valores anteriores de la tabla 4.1 se tomaron en cuenta los valores límite de las normas oficiales mexicanas: NOM-001-SEMARNAT-1996 [62], NOM-002SEMARNAT-1996 [63], NOM-052-SEMARNAT-1993 [64]. 61 4.2 Curvas de neutralización 4.2.1 Ca(OH)2 4.2.1.1 Cobre La curva de neutralización para el metal cobre se muestra en la figura 4.1. La concentración de cobre utilizada para realizar este experimento fue de 94 ppm. La manera en la que se realizó esta determinación fue con una alícuota de 200 ml. El agente neutralizante (en este caso el hidróxido de calcio) se encontraba a una concentración de 1% m/v. Cabe mencionar que esta concentración de Ca(OH)2 se tuvo que manejar como una suspensión, y en todo momento se encontraba en agitación. Tabla 4. 2 Tabla de la curva de calibración para el Cobre con Ca(OH)2 Curva de neutralización con Ca(OH)2 1% m/v mg ml añadidos añadidos de de Ca(OH)2 Ca(OH)2 0 0 0.5 5 1 10 1.5 15 2 20 2.5 25 3 30 3.5 35 4 40 4.5 45 5.1 51 5.5 55 6.1 61 6.4 64 7 70 7.9 79 8.2 82 8.5 85 8.8 88 pH 4.94 5.4 5.62 7.24 10.66 10.96 11.14 11.4 11.47 11.55 11.69 11.74 11.76 11.8 11.89 11.95 11.97 11.99 12.02 62 Curva de neutralizacion Cobre con Ca(OH)2 @ 1% 13 12 11 10 pH 9 8 7 6 5 4 0 20 40 60 80 100 mg de Ca(OH)2 anadidos Figura 4. 1 Curva de neutralización del Cobre con Ca(OH)2 al 1% m/v 4.2.1.2Cromo Para poder realizar la curva de neutralización del cromo, se llevo a cabo la reducción de Cr6+ a Cr3+ teniendo una concentración inicial de 100 ppm de cromo. La alícuota que se utilizo fue de 250 ml y el Ca(OH)2 se encontraba a una concentración de 1% m/v. Esta curva de neutralización requirió más tiempo y cantidad de Ca(OH)2 de lo esperado dado a que el pH inicial de la solución estaba cercano a 2. La curva de neutralización de este metal se muestra en la figura 4.2 63 Tabla 4. 3 Tabla con los valores de la curva de neutralización de Cromo Curva de neutralización con Ca(OH)2 1% m/v mg ml añadidos añadidos de de Ca(OH)2 Ca(OH)2 0 0 1.2 12 2.1 21 3 30 3.5 35 4 40 4.5 45 5 50 5.5 55 6 60 6.6 66 7 70 7.5 75 8 80 8.5 85 9 90 9.5 95 10 100 10.2 102 pH 1.54 2.07 2.15 2.4 2.6 2.88 3.4 4.5 5.42 5.91 6.59 6.92 7.8 8.98 10.2 11.08 11.72 11.94 12.02 Curva de neutralizacion de cromo con Ca(OH)2 @ 1% 14 12 10 pH 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 120 mg de Ca(OH)2 anadidos Figura 4. 2Curva de neutralización del Cromo con Ca(OH)2 al 1% m/v 64 4.2.1.3 Níquel El níquel es el metal que se encuentra en mayor concentración en el estudio. La cantidad de hidróxido de calcio requerida no fue demasiada dado a que su pH inicial era cercano al 7. Tabla 4. 4 Tabla con los valores de la curva de neutralización de níquel Curva de neutralización con Ca(OH)2 1% m/v mg ml añadidos añadidos de de Ca(OH)2 Ca(OH)2 0 0 0.5 5 1 10 1.5 15 2.1 21 2.5 3 3.5 4 5 5.6 5.8 25 30 35 40 50 56 58 pH 6.24 8.43 8.56 8.68 8.86 9.12 10.06 11.05 11.46 11.85 11.98 12.01 65 Curva de neutralizacion Ni con Ca(OH)2 @ 1% 14 12 10 pH 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 mg de Ca(OH)2 anadidos Figura 4. 3Curva de neutralización del Níquel con Ca(OH)2 al 1% m/v 4.2.1.4 Zinc La curva de neutralización del zinc se muestra en la figura 4.4 y los valores para la misma están en la tabla 4.5 fue realizada con una alícuota de 250 ml. La concentración del hidróxido de calcio fue de 1% m/v. Se observa que la curva tiene una tendencia normal, a pesar de que es difícil obtener el valor de pH exacto como los valores entre pH 8.0 y 9.0. Esta curva de neutralización ayudará a saber la cantidad necesaria para agregar a las alícuotas y obtener el pH establecido. 66 Tabla 4. 5 Tabla con los valores de la curva de neutralización de Zinc Curva de neutralización con Ca(OH)2 1% m/v mg ml añadidos añadidos de de Ca(OH)2 Ca(OH)2 0 0 0.5 5 1 10 1.5 15 2 20 2.5 25 3 30 4 40 5.2 52 6.1 61 6.4 64 pH 6.33 7.52 10.36 10.99 11.3 11.49 11.58 11.72 11.88 11.95 12.01 Curva de neutralizacion de Zinc con Ca(OH)2 @ 1% 14 12 10 pH 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 mg de Ca(OH)2 anadidos Figura 4. 4Curva de neutralización del Zinc con Ca(OH)2 al 1% m/v 67 4.3 Precipitación Alcalina La precipitación alcalina es el método utilizado en esta tesis gracias a las características y las ventajas que presenta sobre otros métodos (capítulo de Revisión Bibliográfica). Los compuestos químicos que se utilizan como agentes precipitantes (hidróxidos) son el hidróxido de calcio (Ca(OH)2 ) y el hidróxido de sodio (NaOH). 4.3.1 Generación de lodos El aspecto de los lodos obtenidos fue de partículas muy pequeñas, con color poco intenso, y en muy poca cantidad. A continuación en la figura 4.5 se observan los colores y el aspecto de los lodos obtenidos con las alícuotas de 250 ml. Figura 4. 5 Aspecto de los lodos provenientes de la precipitación alcalina 4.3.1.1 Ca(OH)2 Como en la figura 4.5 se muestra la generación de lodos por litro de agua residual tratada a los diferentes pH. Cabe hacer notar que la cantidad de lodos obtenidos a partir de la 68 solución con cromo fue mayor ya que se utilizó mayor cantidad de hidróxido de calcio debido a que su pH inicial era de 2.0 como se mencionó anteriormente. Tabla 4. 6 Valores de la generación de lodos por litro de agua residual con Ca(OH)2 Generación de lodos [g lodo/L agua residual] Cobre Cromo Niquel Zinc 0.2148 0.3140 0.1704 0.1348 0.3048 0.3588 0.2692 0.0916 0.3032 0.3784 0.2148 0.0628 0.2892 0.3324 0.2260 0.0756 0.2708 0.4488 0.2216 0.0884 0.2012 0.4084 0.2216 0.1092 pH 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 masa lodos [g]/ agua residual [L] lodos generados Ca(OH)2 0.5 0.4 cobre 0.3 niquel 0.2 zinc cromo 0.1 0 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 6 Generación de lodos a partir de la precipitación alcalina con Ca(OH)2 4.3.1.2 NaOH La cantidad de lodos generados con el hidróxido de sodio fue muy parecida entre los metales. Hay una gran diferencia de la generación de lodos del zinc al níquel dado a las concentraciones iniciales de los metales en nuestra solución. 69 Tabla 4. 7 Valores de la generación de lodos por litro de agua residual tratada con NaOH Generación de lodos [g lodo/L agua residual] Cobre Cromo Niquel Zinc 0.2816 0.1384 0.3224 0.1792 0.2844 0.1632 0.3600 0.1800 0.2700 0.0624 0.3220 0.1784 0.2808 0.0708 0.4200 0.1812 0.2484 0.1064 0.3700 0.1932 0.2472 0.1560 0.3816 0.1632 pH 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 masa lodos [g]/Agua residual [L] lodos generados NaOH 0.5 0.4 cobre 0.3 niquel 0.2 zinc cromo 0.1 0 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 7 Generación de lodos a partir de la precipitación alcalina con NaOH 4.4 Resultados de absorción atómica El método de determinación de la concentración de metales fue llevado a cabo mediante la prueba de absorción atómica. Se utilizaron los estándares de calibración mencionados en el capítulo de Materiales y Métodos para realizar las lecturas y poder obtener los valores de concentración de metal en el sobrenadante. 70 4.4.1 Ca(OH)2 Se observa en la tabla 4.8 los niveles de concentración de metales en los sobrenadantes según el pH de la condición de operación. En esta misma tabla, se puede observar que la remoción del níquel a valores de pH bajos no es satisfactoria. Lo mismo sucede con el cromo, pero este sólo tiene el primer nivel de pH. El cobre y el zinc tienen una concentración muy baja, y se mantiene a lo largo de las condiciones de operación. Tabla 4. 8 Valores de la concentración de metales en ppm después de la precipitación alcalina con Ca(OH)2 pH Cobre 0.0030 0.0030 0.0030 0.0030 0.0030 0.0030 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 Concentracion de metal [ppm] Cromo Niquel 11.2963 71.5081 0.0060 27.7846 0.0060 1.8403 1.5185 0.6243 1.0410 0.3637 0.0060 0.1373 Zinc 1.5291 0.9086 0.9853 0.5888 0.6233 0.3256 Concentracion ppm Concentracion metales vs pH Ca(OH)2 5 4 Cobre 3 Niquel 2 Zinc Cromo 1 0 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 8 Concentración final de metales después de la precipitación alcalina con Ca(OH)2 71 4.4.2 NaOH En la remoción de metales con hidróxido de sodio, el níquel muestra concentraciones elevadas de metales en las dos primeras condiciones de operación (que corresponden a los niveles más bajos de pH). Los otros metales se conservan con una baja concentración de metales a lo largo de las condiciones de operación. Tabla 4. 9 Valores de la concentración de metales en ppm después de la precipitación alcalina con NaOH pH Cobre 0.0030 0.0030 0.1467 0.0340 0.0030 0.0030 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 Concentracion de metal [ppm] Cromo Niquel 0.0060 14.7358 0.0060 15.4309 0.0060 0.5350 1.0293 0.4120 0.0060 0.0000 0.0060 0.0000 Zinc 0.6264 0.0939 0.1178 0.4931 0.4202 1.9215 Concentracion ppm Concentracion metales vs pH NaOH 5 4 Cobre 3 Niquel 2 Zinc Cromo 1 0 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 9 Concentración final de metales de la precipitación alcalina con NaOH 72 4.5 Eficiencia de remoción de metales La eficiencia de remoción de los metales se calculó con la ecuación: Ci − Cf × 100 Ci Ecuación 4. 1 Fórmula para calcular la eficiencia del proceso de remoción de metales %= Donde: Ci= concentración inicial del metal en el agua Cf= concentración final del metal en el agua después de la precipitación alcalina 4.5.1 Ca(OH)2 Como se puede observar en la tabla 4.10, la mayoría de las eficiencias de remoción sobrepasan el 90%. Hay ciertos valores como los dos primeros del níquel que son muy bajos, y esto es dado a que la concentración del sobrenadante es muy alta. Lo mismo ocurre con el cromo en la primera condición de operación, su eficiencia de remoción es menor a la del 90% pero aún se puede considerar como un alto nivel de remoción. Tabla 4. 10 Valores de eficiencia de remoción de metales con Ca(OH)2 pH 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 Eficiencia de remoción de metales [%] Cobre Cromo Niquel Zinc 99.9968 88.7037 40.4099 96.9418 99.9968 99.9940 76.8462 98.1827 99.9968 99.9940 98.4664 98.0295 99.9968 98.4815 99.4797 98.8225 99.9968 98.9590 99.6969 98.7534 99.9968 99.9940 99.8856 99.3488 73 % de remocion Eficiencia de remocion de metales Ca(OH)2 100 Cobre 95 Niquel Zinc 90 Cromo 85 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 10 Eficiencia de remoción de metales con Ca(OH)2 4.5.2 NaOH La eficiencia de remoción de los metales con el hidróxido de sodio es muy buena. Los niveles no bajan del 88% de eficiencia, llegando hasta el 100%. Tabla 4. 11 Valores de la eficiencia de remoción de metales con NaOH pH 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 Eficiencia de remoción de metales [%] Cobre Cromo Niquel Zinc 99.9963 99.9940 87.7202 98.7472 99.9963 99.9940 87.1409 99.8121 99.8167 99.9940 99.5542 99.7644 99.9575 98.9707 99.6567 99.0137 99.9963 99.9940 100.0000 99.1596 99.9963 99.9940 100.0000 96.1571 74 % de remocion Eficiencia de remocion de metales NaOH 100 Cobre 95 Niquel Zinc 90 Cromo 85 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 11 Eficiencia de remoción de metales con NaOH En general se puede decir que la eficiencia de remoción con ambos hidróxidos es muy buena y sólo a pH bajos es cuando puede haber una eficiencia no óptima. 4.6 Cantidad de metal en lodos La cantidad de metales que se encuentran en los lodos está íntimamente relacionada con la concentración inicial del metal y con la cantidad de hidróxido añadido a la solución para llevar a cabo la precipitación. Para poder cuantificar el contenido de metales en los lodos se realizó el cálculo en términos de gramos de metal por kilogramo de lodo producido por la precipitación. 4.6.1 Ca(OH)2 El contenido metálico en los lodos provenientes de la precipitación alcalina con Ca(OH)2 varían entre los 200 gramos y los 800 gramos por kilogramo de lodo. El zinc tiene un 75 valor elevado de contenido de metal por kilogramo de lodo en el valor de pH de 10.0 y el cromo tiene el valor mas bajo de contenido de metal en el pH de 11.0. Tabla 4. 12 Valores del contenido metálico en los lodos generados con Ca(OH)2 Contenido Metalico en lodos [g metal/kg lodo] Cobre Cromo Niquel Zinc 437.6024 282.4959 651.4085 359.5763 308.3891 278.6901 410.4755 535.9320 310.0165 264.2548 512.1043 780.4894 325.0242 296.2740 484.5133 653.5877 347.1086 220.4968 491.8773 558.5600 467.1819 244.8433 489.6209 454.8938 pH 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 Cantidad de metal por kg de lodo Ca(OH)2 g metal/kg lodo 1000 800 Cobre 600 Niquel 400 Zinc Cromo 200 0 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 12 Cantidad de metal en el lodo resultado de la precipitación alcalina con Ca(OH)2 4.6.2 NaOH El cromo muestra la mayor cantidad de metal por kilogramo de lodo, siendo el punto mas alto en el valor de pH de 10.0. Para el valor mas bajo de contenido de metal por kilogramo de lodo es de zinc a un pH de 11.0. 76 Tabla 4. 13 Valores con el contenido metálico en los lodos generados con NaOH pH 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 Contenido Metalico en lodos [g metal/kg lodo] Cobre Cromo Niquel Zinc 284.0803 722.5000 326.5019 275.5223 281.2834 612.7083 290.4697 277.2559 295.7531 1602.4679 371.0093 279.6087 284.7792 1397.8916 284.7333 273.2167 322.0491 939.7932 324.3243 256.6242 323.6125 640.9872 314.4654 294.5988 Cantidad de metal por kg de lodo NaOH g metal/kg lodo 2000 1500 Cobre Niquel 1000 Zinc Cromo 500 0 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 pH Figura 4. 13 Cantidad de metal en el lodo resultado de la precipitación alcalina con NaOH 4.7 Corridas a 10 L Se realizaron corridas de remoción de metales con un volumen de 10 litros. Las concentraciones de los metales eran las mismas de las corridas a 250 ml, lo único diferente fue que en lugar de utilizar agua destilada para realizar las soluciones, se utilizó agua normal (de la llave) para poder simular una situación más real dentro de un escenario industrial. El agua de Puebla es un agua dura. Ésta contiene de 350 a 800 ppm de carbonatos; dentro de las instalaciones de la UDLAP van de 600 a 800 ppm. 77 Esta dureza del agua tuvo un impacto en el desarrollo de este trabajo ya que por ejemplo, el cobre al momento de estar en contacto con el agua de la llave se precipitaba formando carbonatos de cobre. Los valores de pH a los que se hicieron las diferentes precipitaciones fueron 10.2 unidades con NaOH (hidróxido de sodio) y 11.0 unidades con Ca(OH)2 (hidróxido de calcio). Estos dos valores de pH se propusieron como resultado de todas las pruebas anteriores, y en especial con el porcentaje de remoción de metales. Figura 4. 14 Imagen de las corridas a 10 L 4.7.1 Generación de lodos La generación de lodos es proporcional al volumen a tratar. La generación de lodos se vio como resultado de la precipitación alcalina y la acción de los carbonatos del agua de la llave de la UDLAP. Estos lodos serán utilizados para la prueba PECT y determinar la toxicidad de los mismos después de la misma. 78 4.7.1.1 Apariencia de los lodos después de la precipitación alcalina Los lodos provenientes del tratamiento de la alícuota de 10 litros son más consistentes, hay mayor cantidad de metal precipitado, hay mayor cantidad de hidróxido. Sin embargo debido a la presencia de carbonatos disueltos en el agua hicieron que los lodos adquirieran otra apariencia a la que tenían cuando se tenía una alícuota de 250 ml. 79 Lodos con hidróxido de sodio provenientes de la precipitación alcalina Níquel Lodos con hidróxido de calcio provenientes de la precipitación alcalina Níquel Zinc Zinc Cobre Cobre Cromo Cromo Mezcla Mezcla Figura 4. 15 Apariencia de los lodos obtenidos de la precipitación alcalina de los metales y las mezclas 80 4.7.2 Remoción de metales A continuación se muestran los porcentajes de remoción de cada metal en los experimentos de 10 L. Es necesario conocer las eficiencias de remoción cuando se hacen corridas más grandes para poder determinar las interferencias que existen entre la relación de volúmenes. 4.7.2.1 Cobre La figura 4.16 muestra los porcentajes de remoción de cobre con los dos diferentes hidróxidos (cada uno a su condición de operación óptima). Se puede observar que los dos hidróxidos llegan a un 99 por ciento de eficiencia, dando esto un muy buen desempeño en general. Porcentaje de rem oción de Cobre 100 98 96 % 94 92 90 Hidróxido NaOH 99.9646 Ca(OH)2 99.9963 Figura 4. 16 Porcentaje de remoción de cobre con hidróxidos 81 La comparación entre las eficiencias de remoción se muestra en la tabla 4.14 a continuación. Se puede notar que no hay gran diferencia entre las eficiencias de remoción según el volumen a tratar. En la figura 4.17 se ve gráficamente las eficiencias de remoción dando como resultado una mayor eficiencia cuando se tiene un pH de 11.0 no importando el volumen. Tabla 4. 14 Valores de remoción de metales de 250 ml y 10 L Cobre 10 L pH Hidróxido 10.2 11.0 NaOH Ca(OH)2 250 ml % de remoción de metales 99.9646 99.9963 pH Hidróxido 10.0 11.0 NaOH Ca(OH)2 % de remoción de metales 99.8167 99.9968 Diferencia entre % de remoción 0.14792 0.00056 Eficiencia de remoción Porcentaje de remoción de cobre 100.0000 99.9500 NaOH 10 L Ca(OH)2 10 L 99.9000 NaOH 250 ml Ca(OH)2 250 ml 99.8500 99.8000 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 pH Figura 4. 17 Gráfica comparativa entre los porcentajes de remoción de cobre a diferentes volúmenes 82 4.7.2.2 Cromo La remoción de cromo en los experimentos con volúmenes de 10 litros está en el 98% de eficiencia. Es un buen nivel de eficiencia. Se puede observar que con el hidróxido de calcio se obtiene una mayor eficiencia, del 98.55%, pero aun así, es muy poca la diferencia con el hidróxido de sodio por lo que se podría utilizar indistintamente los dos hidróxidos como agente precipitante de metales. Porcentaje de rem oción de Crom o 100 98 % 96 94 92 90 Hidróxido NaOH 98.2778 Ca(OH)2 98.5556 Figura 4. 18 Gráfica de porcentaje de remoción de cromo con hidróxidos En la tabla 4.15 se muestran los valores de eficiencia de remoción a volumen de 250 ml y a 10 litros. Se observa que la mayor diferencia entre porcentajes de remoción se da en el pH de 10.0 (volumen 250 ml) y pH de 10.2 (volumen de 10 L), dando una mejor remoción la que tiene el volumen bajo a tratar. En cuanto a la remoción en pH 11.0 no hay gran diferencia entre sus eficiencias. En la figura 4.19 se muestra la comparación entre las eficiencias a diferentes volúmenes. 83 Tabla 4. 15 Valores de remoción de metales de cromo a diferentes volúmenes Cromo 10 L pH Hidróxido 10.2 11.0 NaOH Ca(OH)2 250 ml % de remoción de metales 98.2778 98.5556 pH Hidróxido 10.0 11.0 NaOH Ca(OH)2 % de remoción de metales 99.9940 98.9590 Diferencia entre % de remoción 1.71622 0.40341 Eficiencia de remoción Porcentaje de remoción de Cromo 100.0000 99.5000 NaOH 10 L Ca(OH)2 10 L 99.0000 NaOH 250 ml Ca(OH)2 250 ml 98.5000 98.0000 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 pH Figura 4. 19 Gráfica comparativa entre los porcentajes de remoción de cromo a diferentes volúmenes 4.7.2.3 Níquel En ambos escenarios, el porcentaje de remoción del níquel de las soluciones acuosas que se estudiaron fue mayor al 95%. El porcentaje de remoción del níquel es mayor cuando se utiliza Ca(OH)2 como agente precipitante. 84 Porcentaje de rem oción de Níquel 100 98 % 96 94 92 90 Hidróxido NaOH 98.9975 Ca(OH)2 99.7853 Figura 4. 20 Porcentaje de remoción de níquel con hidróxidos A continuación en la tabla 4.16 se muestran los valores de la eficiencia de remoción del níquel a volumen de 250 ml y de 10 L. Se hace notar que a pH de 10.2 con NaOH (volumen de 10 L) se obtiene la menor eficiencia con un valor de 98.99%. En contraste, la eficiencia más alta se tiene a pH de 11.0 con Ca(OH)2. En la figura 4.21 se puede ver los datos de la remoción de metales comparados entre ellos. Tabla 4. 16 Valores de porcentajes de remoción de níquel a diferentes volúmenes Níquel 10 L pH Hidróxido 10.2 11.0 NaOH Ca(OH)2 % de remoción de metales 98.9975 99.7853 250 ml pH Hidróxido 10.0 11.0 NaOH Ca(OH)2 % de remoción de metales 99.5542 99.6969 Diferencia entre % de remoción 0.55667 0.08833 85 Eficiencia de remoción Porcentaje de remoción de Níquel 100.0000 99.8000 NaOH 10 L 99.6000 Ca(OH)2 10 L 99.4000 NaOH 250 ml 99.2000 Ca(OH)2 250 ml 99.0000 98.8000 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 pH Figura 4. 21 Gráfica comparativa de la remoción de níquel a diferentes volúmenes 4.7.2.4 Zinc La remoción del zinc a un volumen de 10 L es muy efectiva. Los valores del porcentaje de remoción son de arriba del 99% en ambos casos. El hidróxido de calcio fue el agente precipitante que arroja el porcentaje de remoción más elevado con un valor del 99.99%. 86 Porcentaje de remoción de zinc 100 98 96 % 94 92 90 Hidróxidos NaOH 99.8876 Ca(OH)2 99.9980 Figura 4. 22 Porcentaje de remoción de zinc con hidróxidos En la tabla 4.17 se muestran los valores de la remoción de metales en los dos escenarios de los diferentes volúmenes. Se puede ver que hay una diferencia significante entre la eficiencia de remoción del zinc de Ca(OH)2 a pH de 11.0 siendo mayor cuando se tiene un mayor volumen. En la figura 4.23 se observan las eficiencias de remoción del zinc a los diferentes pH´s y a los diferentes volúmenes. Cabe mencionar que la eficiencia de remoción más alta se registra con un valor de 99.99% siendo el agente precipitante el Ca(OH)2 a un pH de 11.0 y con un volumen de 10 L. Tabla 4. 17 Valores de la remoción de zinc a diferentes volúmenes Zinc 10 L pH Hidróxido 10.2 11.0 NaOH Ca(OH)2 % de remoción de metales 99.8876 99.9980 250 ml pH Hidróxido 10.0 11.0 NaOH Ca(OH)2 % de remoción de metales 99.7644 98.7534 Diferencia entre % de remoción 0.12320 1.24460 87 Eficiencia de remoción Porcentaje de remoción de Zinc 100.0000 99.8000 99.6000 99.4000 NaOH 10 L Ca(OH)2 10 L 99.2000 99.0000 98.8000 98.6000 NaOH 250 ml Ca(OH)2 250 ml 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 pH Figura 4. 23 Gráfica comparativa de la remoción de zinc a diferentes volúmenes 4.7.2.5 Comparación de la eficiencia de remoción de metales entre los dos hidróxidos En la figura 4.24 se observan las eficiencias de remoción comparadas entre metales (pruebas individuales) con ambos hidróxidos utilizados en la experimentación. Los porcentajes de remoción están por arriba del 98% de eficiencia, siendo esto bueno dado a que se tiene una gran remoción de metal durante la precipitación alcalina. 88 Eficiencia de remoción de metales con diferentes hidróxidos 100 99 98 96 Porcentaje % 99.99 99.88 97 99.99 98.99 99.78 98.27 99.96 98.55 95 94 93 92 91 90 NaOH 1 Ca(OH) 2 2 Hidróxidos Cobre Cromo Niquel Zinc Figura 4. 24 Comparación entre las eficiencias de remoción de metales con ambos hidróxidos 4.7.2.6 Mezcla de metales con NaOH La eficiencia de remoción de metales cuando se tiene la mezcla de los mismos puede tener ciertas interferencias. En el caso de la mezcla de metales con hidróxido de sodio como agente precipitante, la eficiencia de remoción de los metales es superior al 97%. En el caso del cromo, la eficiencia de remoción es la menor en comparación de todos los metales, teniendo un valor de 97.77%, pero aún así, cumpliendo con la norma. El zinc fue el metal que obtuvo una mayor remoción con un valor de 99.96%, seguido del cobre (99.91%) y por último el níquel (99.09%). 89 Porcentaje de remoción de metales con NaOH en una mezcla 100 98 96 % 94 92 90 Metales Cobre 99.9183 Zinc 99.9629 Niquel 99.0914 Cromo 97.7778 Figura 4. 25 Gráfica de remoción de metales de una mezcla con NaOH 4.7.2.7 Mezcla de metales con Ca(OH)2 La eficiencia de remoción de metales cuando se encuentran mezclados y el agente precipitante es el hidróxido de calcio se encuentra arriba del 98%. En orden ascendente, los valores de eficiencia de remoción son: cromo 98.07%, níquel 99.75%, zinc 99.95% y por último con el valor más elevado cobre con 99.96%. En la figura 4.26 se muestran los porcentajes de la eficiencia de remoción comparados entre los cuatro metales para la mezcla. 90 Porcentaje de remoción de metales en mezcla con Ca(OH)2 100 98 96 % 94 92 90 Metales Cobre 99.9600 Zinc 99.9511 Niquel 99.7589 Cromo 98.0741 Figura 4. 26 Remoción de metales de una mezcla con Ca(OH)2 4.7.2.8 Comparación entre los porcentajes de remoción entre pruebas individuales y pruebas con mezclas Las pruebas individuales de metales y las pruebas de mezclas tienen un comportamiento un poco diferente. La prueba individual tiene una mayor eficiencia de remoción que la prueba de mezcla, pero la diferencia entre estos porcentajes de eficiencia de remoción son mínimos. Con el hidróxido de calcio, figura 4.27, se puede notar que la mayor diferencia entre eficiencias de remoción son con el metal cromo, siendo mayor la eficiencia cuando se trata de una prueba individual. 91 Porcentaje de Remoción de metales con Ca(OH)2 100 99 99.96 98 99.99 99.99 97 98.07 99.75 98.56 99.95 99.78 96 remoción [%] 95 94 93 92 91 90 1 Cobre 2 Cromo Mezcla 3 Metales Níquel 4 Zinc Individual Figura 4. 27 Comparación entre los porcentajes de remoción de pruebas individuales y mezclas La figura 4.28 muestra la comparación de l as eficiencias de remoción entre los metales y por las pruebas individuales y las de mezcla. Se puede notar que hay un decremento de eficiencia de remoción cuando se remueve el cromo y se encuentra en la prueba de mezcla de metales. Los demás comportamientos de eficiencia de remoción con los otros metales se encuentran muy parecidos entre las pruebas. 92 Porcentajes de remoción de los metales con NaOH 100 99 99.96 98 99.96 97 96 remoción [%] 98.99 99.96 99.91 99.09 98.27 97.77 95 94 93 92 91 90 1 Cobre 2 Cromo 3 Níquel 4 Zinc Metales Mezcla Individual Figura 4. 28 Comparación entre los porcentajes de remoción de pruebas individuales y mezclas 4.7.3 Pruebas PECT En la figura 4.29 se observan los matraces Erlenmeyer que contienen los lodos provenientes de la precipitación alcalina con los dos agentes precipitantes (NaOH y Ca(OH)2). Se adicionó un volumen conocido de reactivo de extracción 1. Es importante cerciorarse de que el reactivo cubra la totalidad del lodo. 93 Prueba PECT: lodos con Ca(OH)2 Prueba PECT: lodos con NaOH Figura 4. 29 Matraces con lodos y reactivo de extracción para realizar la prueba PECT 4.7.3.1 Metales En la siguiente tabla 4.18 se muestran los valores de la concentración de metal en el lixiviado después de la prueba PECT. Cabe mencionar que se cumple con la NOM-052. Tabla 4. 18 Valores de las concentraciones de los metales del lixiviado de la prueba PECT Ca(OH)2 NaOH Hidroxido Metal mg/L Cobre Cromo Niquel Zinc Cobre Cromo Niquel Zinc 0.83066667 2.2962963 1.49186992 4.63603896 0.89 1.85185185 0.35433333 0.62987013 94 4.7.3.1.1 Metales con NaOH La retención de los metales en los lodos provenientes de la precipitación alcalina con el hidróxido de sodio se da por arriba del 99%. En orden descendiente, los valores de la retención de metales de estos lodos son: cobre, níquel cromo y zinc. Porcentaje de retención de metales con NaOH 100% 98% 96% 94% 92% 90% Metal Cromo 0.9999 Cobre 1.0000 Zinc 0.9996 Niquel 0.9999 Figura 4. 30 Porcentaje de retención de metales con NaOH después de la prueba PECT 4.7.3.1.2 Metales con Ca(OH)2 La retención de los metales está dada en un porcentaje mayor al 99%. Dando los metales en orden ascendente: cromo, zinc, cobre y níquel. 95 Pocentaje de retención de metales con Ca(OH)2 100% 98% 96% 94% 92% 90% Metales Cromo 0.9999 Cobre 0.9999 Zinc 0.9999 Niquel 1.0000 Figura 4. 31 Porcentaje de retención de metales con Ca(OH)2 después de la prueba PECT 4.7.3.2 Mezclas de metales En la tabla 4.19 se muestran los valores de la concentración de metales en el lixiviado. Se cumple con la NOM-052-SEMARNAT [64]. Tabla 4. 19 Valores de concentración de los metales en el lixiviado de la prueba PECT Metal NaOH Mezcla Ca(OH)2 Mezcla Hidroxido mg/L Cobre Cromo Niquel Zinc Cobre Cromo Niquel Zinc 1.088 2.16666667 3.20233333 0.65643333 0.574 3 2.85531098 0.6982 96 4.7.3.2.1. Mezcla de metales con NaOH Los porcentajes de retención para los metales en la mezcla de los mismos con el agente precipitante NaOH están por arriba del 99%. Esto se traduce a que no hay lixiviación de los metales hacia líquidos de los lodos obtenidos en la precipitación alcalina. Los porcentajes de retención de los metales en orden descendiente son los siguientes: zinc 99.9947%, Cobre 99.9945%, cromo 99.991% y níquel 99.982%. Porcentaje de retención de los metales en la mezcla con NaOH 100 98 96 % 94 92 90 Metales Cobre 99.9946 Zinc 99.9947 Niquel 99.9892 Cromo 99.9911 Figura 4. 32 Porcentajes de retención de metales en la mezcla con NaOH después de la prueba PECT 97 4.7.3.2.2 Mezcla de metales con Ca(OH)2 La cantidad de metales en el lixiviado proveniente de los lodos obtenidos de la precipitación alcalina de la mezcla de metales con el hidróxido de calcio como agente precipitante es mínima. Los porcentajes de retención de los metales se encuentran por arriba del 99.95%. En orden descendente, la retención de metales es cobre, zinc, níquel y cromo. Porcentaje de retención de metales en la mezcla con Ca(OH)2 100 98 96 % 94 92 90 Metales Cobre 99.9957 Zinc 99.9916 Niquel 99.9857 Cromo 99.9816 Figura 4. 33 Porcentajes de retención de metales en la mezcla con Ca(OH)2 después de la prueba PECT 98 4.7.3.3 Apariencia de lodos después de la prueba PECT Los lodos después de la prueba PECT se hicieron de una consistencia cremosa, espesa, de unos colores intensos y más difíciles de filtrar. Lodos con hidróxido de sodio provenientes de la prueba PECT Níquel Lodos con hidróxido de calcio provenientes de la prueba PECT Níquel Cromo Cromo Zinc Zinc Cobre Cobre Mezcla de metales Mezcla de metales Figura 4. 34 Imágenes de los lodos como resultado del a prueba PECT 99 4.8 Propuesta de planta de tratamiento Después de que se realizó la experimentación, se propone un diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales industriales. El tratamiento consta de 3 partes: pretratamiento, tratamiento y acondicionamiento de productos. Cada una de estas etapas hace que la calidad de agua que sale después del tratamiento sea la correspondiente para descargar a drenaje. La parte de pre-tratamiento consta de unas barras (screens) para poder retirar la mayor parte de partículas sólidas grandes que impidan el tratamiento, después es un decantador, en donde partículas de tamaño mediano y relativamente pequeño se retiran para poder facilitar el tratamiento de agua. Dentro de la configuración propuesta, también existe un tanque de igualación, para prever los cambios y fluctuaciones que se den en el flujo dentro de la planta de tratamiento de aguas. Ya entrando a la parte del tratamiento en si, éste consta principalmente de dos partes. Una parte es el almacenamiento del hidróxido y la preparación de la solución a utilizar, y la otra es el proceso de la precipitación alcalina. Para el almacenamiento se tiene un silo, y la preparación se lleva a cabo en un tanque agitado de acerco al carbón. En la etapa de la precipitación alcalina, se tiene a su vez un tanque de agitación en donde las corrientes de entrada son el agua a tratar y el hidróxido como agente precipitante. 100 Después de llevarse a cabo la precipitación, el resultado pasa a un clarificador, en donde se separa el agua de los lodos producidos. Por último, en la etapa de acondicionamiento de productos, se tiene un filtro de arena para el agua resultante del tratamiento en donde garantiza que no hay residuos de los lodos metálicos generados. Por otra parte los lodos son almacenados y hacia el final del día, se pasan ya sea al lecho de secado para lodos, con un tiempo de residencia de al menos 5 días, o a un filtro prensa, con un tiempo de residencia de 2 horas. Este acondicionamiento da la oportunidad de mejorar las características de los productos para poder proponer la venta de los mismos y aumentar las ganancias. A continuación, en la figura 4.35 se muestra un diagrama de bloques de lo que es el tratamiento de agua propuesto. El área en color naranja claro muestra los equipos para el pre-tratamiento, los equipos de color verde representan a la parte del proceso de tratamiento, y los equipos en rosa pertenecen al acondicionamiento de productos. Es más fácil ver las áreas de la planta y asociarlas con una acción característica. Ya que se tiene el diagrama de flujo (figura 4.35) se procedió a hacer el diagrama de equipo con sus correspondientes entradas y salidas de materia así como su instrumentación. En la figura 4.36 se muestra el diagrama por equipos para la propuesta de la planta de tratamiento. La parte naranja corresponde al pre-tratamiento, la verde a la precipitación alcalina y la rosa al acondicionamiento de productos. 101 Figura 4. 35 Diagrama de flujo de bloques describiendo la configuración de la planta de tratamiento de agua residual industrial por el método de precipitación alcalina 102 Figura 4. 36 Diagrama de flujo de equipos del tratamiento de agua residual por la precipitación alcalina 103 4.9 Análisis Económico Un análisis económico evalúa la viabilidad económica que se puede definir como: “condición que evalúa la conveniencia de un sistema, proyecto o idea al que califica, atendiendo a la relación que existe entre los recursos empleados para obtenerlo y aquellos de los que se dispone” [45]. Para todo proyecto realizado en nuestro tiempo, se debe de tener un análisis económico para poder tener un indicador de dinero. Este indicador de dinero se puede entender en este análisis como el flujo de efectivo, tiempo de recuperación y el valor presente neto de la empresa a los 10 años de vida del proyecto. Se utilizó un programa para realizar este análisis económico, y tener una forma automática de calcular los parámetros económicos importantes y evaluar la viabilidad económica de la planta A partir de la configuración de la planta propuesta anteriormente, se realiza el análisis económico teniendo en cuenta tres escenarios principales: 1. Donde se cobra por tratar el agua, el agua ya tratada se descarga al desagüe y el lodo producido se dispone correctamente a un relleno de residuos peligrosos. 2. Donde se cobra por tratar el agua, el agua tratada se vende y el lodo obtenido se dispone a un relleno de residuos peligrosos. 3. Donde se cobra por tratar el agua, el agua tratada se vende y el lodo obtenido se vende. 104 Para realizar un análisis de sensibilidad, se presentaron 4 casos de caudal de tratamiento de agua por día: · 10 m3/día · 25 m3/día · 50 m3/día · 100 m3/día Tomando en cuenta los diferentes escenarios y los caudales especificados, se tiene que los productos y sub-productos tienen los siguientes precios: · Precio de agua a tratar: $6.87/m3 de agua. · Precio de agua tratada $6.35/m3 de agua. · Precio de lodo $6.2/kg de lodo. Al hacer todos los cálculos e integrando todas las partes del análisis económico, se obtiene los siguientes datos acerca del tiempo de recuperación (ver figura 4.37): · Caudal 10 m3/día: o En ningún escenario se recupera el dinero invertido (tiempo de recuperación negativo). · Caudal 25 m3/día: o En ningún escenario se recupera el dinero invertido (tiempo de recuperación negativo). · Caudal 50 m3/día: 105 o En los escenarios 1 y 2 nunca se recupera la inversión hecha al principio del proyecto. o En el escenario 3 ya se tiene un periodo de recuperación de 36 años. · Caudal 100 m3/día o En los escenarios 1 y 2 no se recupera la inversión inicial del proyecto. o En el escenario 3 el tiempo de recuperación de la inversión es de 16 años. Dado a que la vida útil de la empresa y la depreciación del equipo es a 10 años, se calculó otro caudal al cual se tiene un tiempo de recuperación menor a 10 años, el cual fue 150 m3/día. Con este caudal, se sigue viendo la tendencia de que en los dos primeros escenarios, no se recupera la inversión y en el tercero, el tiempo de recuperación es de 7 años. Comparación de tiempos de recuperación a diferentes caudales y los diferentes escenarios 40 20 años 0 escenario 1 -20 escenario 2 escenario 3 -40 1 2 3 4 5 caudal [m 3/día] Figura 4. 37 Tiempo de recuperación de inversión a los diferentes caudales y los diferentes escenarios 106 Si se quiere tener un tiempo de recuperación de 10 años, con un caudal de 50 m3/día, el precio de agua a tratar debería de ser de $18.50/m3, y para 100 m3/día el precio debería de ser $12.50/m3. 107